Одной из основных задач какой-либо науки является не только получение знаний касательно того или иного процесса/явления, но и получение контроля над ним, что может быть крайне полезно для развития технологий, используемых в различных отраслях жизни человека. Чаще всего нам для получения контроля над процессом необходимо создавать системы, им манипулирующие и его модулирующие. Порой эти системы достаточно сложны, хоть и результат их работы может казаться весьма прост. К примеру, заставить жидкость течь исключительно в одном направлении. Для этого в системах используются клапаны, но в мире дикой природы есть куда более эффективная и простая альтернатива — кишечник акул. Ученые из Вашингтонского университета (Сиэтл, США) разработали систему, имитирующую кишечник акул, которая заставляет жидкость внутри нее двигаться в точно заданном направлении. В чем секрет акульих внутренностей, как ученые их воссоздали, и где на практике может применяться их творение? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Акулы у людей ассоциируются с вспыльчивым нравом, неутолимым голодом и острыми зубами. Лишь последнее соответствует действительности, и то не у всех видов. Не будучи ихтиологом, многие из нас могут назвать пару-тройку отличительных черт акул, начиная от плавника на спине и заканчивая несколькими рядами зазубренных зубов (опять же, эти характеристики не являются универсальными для всех видов). Но мало кто знает, что кишечник акул и скатов не менее уникален, как визуально, так и функционально.


Тихоокеанская колючая акула (Squalus suckleyi) и КТ ее спирального кишечника.

Как видно из КТ выше, структура кишечника акулы состоит из трубок с внутренними спиралями, которые, как традиционно считается, дают преимущество за счет увеличения площади поверхности, тем самым улучшая усвоение питательных веществ. Недавно была предложена альтернативная функция после открытия асимметричного потока в кишечнике акул. Исследователи вырезали кишечник у разных видов акул и измеряли скорость потока вязких жидкостей, перемещающихся спереди назад, вниз по желудочно-кишечному тракту и в обратном направлении. Поток вниз по тракту был быстрее, чем обратно, что означает, что для проталкивания пищи через кишечник должно было потребоваться меньше перистальтических движений, что увеличивало метаболическую эффективность. Этот результат примечателен, поскольку асимметричный поток был достигнут без использования створок, подобных тем, что имеются в клапанах человеческого сердца и желудка.

Подробный рассказ о клапане Николы Тесла, изобретенный им в 1916 году.

Когда жидкостный канал навязывает асимметричный поток, он ведет себя как электрический диод. Самые известные жидкостные диоды, клапаны Теслы, были изобретены более века назад. Эти квазидвумерные элементы генерируют вихри и высокое гидродинамическое сопротивление только в одном направлении потока. Структуры, напоминающие клапаны Теслы, были обнаружены в легких птиц и были включены в микрофлюидные контуры. Открытие асимметричного потока в кишечнике акул является захватывающим, поскольку подобные спиральные структуры потенциально масштабируемы для больших трехмерных приложений.

Однако непонятно, как спиральные кишки акулы могут работать как клапаны Тесла. Проблема заключается в числе Рейнольдса, соотношении между инерционными и вязкими силами в жидкостях. Число Рейнольдса определяется как Re = uL/ν, где u, L и ν — это скорость потока, характерный масштаб длины и кинематическая вязкость жидкости соответственно. Недостатком клапанов Тесла является то, что асимметрия потока высока только при высоком числе Рейнольдса (11–14), что требует высоких скоростей потока, больших масштабов длины и/или низкой вязкости жидкости. Напротив, пища, протекающая через кишечник акулы, вязкая и течет с низкой скоростью, что приводит к Re ~ 10^–4 – 10^–1. В этом режиме динамики жидкости с низким числом Рейнольдса поток обратим, и простые клапаны Тесла неэффективны. Математически асимметричный поток через жесткие трубы при низких числах Рейнольдса должен быть невозможен, поскольку он нарушает принцип взаимности. Однако кишечник акулы не является жестким, это мягкие ткани с механической жесткостью порядка килопаскалей.


Изображение №1

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые предположили, что деформация кишечных структур, вызванная потоком, улучшает их работу в качестве клапанов Тесла, позволяя им эффективно работать даже при низких числах Рейнольдса. Другими словами, деформируемый клапан Тесла, независимо от того, состоит ли он из биологической ткани или эластомерных материалов, может генерировать высокую асимметрию потока, которая не исчезает в пределе низкого числа Рейнольдса. Чтобы проверить влияние деформируемости на асимметрию потока, ученые напечатали на 3D-принтере биомиметические спиральные трубы как из мягких, так и из твердых полимерных материалов. Используя четко определенные тестовые структуры, ученые измерили влияние внутреннего шага спирали, радиуса отверстия, угла наклона и длины трубы на асимметрию потока (схемы выше). Затем было проведено сравнение асимметрии потока в биомиметических конструкциях с прямыми копиями кишечника акулы.

Результаты исследования

Ученые отмечают, что их эксперименты нацелены на поиски ответов на три основных вопроса:

• являются ли трубки с внутренними спиралями хорошими кандидатами на роль клапанов Тесла?
• если да, то какие особенности конструкции максимизируют асимметрию потока?
• может ли деформация структур, вызванная потоком, улучшить их асимметрию потока?

Для этого была спроектирована конструкция, вдохновленная кишечником акулы: внешняя труба с прочной цилиндрической стенкой (толщиной 2 мм) и внутренний тонкий спиральный лист (толщиной 0.5 мм), который с большей вероятностью сгибается.

Спиральные трубы были напечатаны из двух разных материалов: термореактивного жесткого пластика, который минимизирует деформируемость (1C), и мягкого эластомера, который максимизирует деформируемость. Несмотря на то, что эластомер является одним из самых мягких продуктов, доступных для 3D-печати (с жесткостью всего 1 МПа), он намного жестче, чем кишки акулы (с жесткостью 1 кПа). Поэтому для деформации эластомерных спиралей требуются более высокие скорости потока (Q), чем для деформации кишечника. В исследовании использовалась скорость потока Q ≈ 100 см³/с, что соответствует числу Рейнольдса Re ~ 10⁴. В этом режиме поток может быть турбулентным, поэтому асимметрия потока может возникать как в жестких, так и в деформируемых трубах. Следовательно, были использованы жесткие трубы для проверки влияния геометрии трубы, отделяя ее от механической деформации. Затем использовались мягкие трубы для измерения того, насколько деформируемость усиливает асимметрию по отношению к жесткой трубе той же конструкции.

Спиральные трубы на схеме выше полностью характеризуются всего несколькими геометрическими параметрами. К ним относятся шаг (p, вертикальный подъем с каждым оборотом), радиус внутреннего отверстия (r_hole), угол наклона (α; который нарушает симметрию вверх-вниз), количество спиральных витков (n_turns) и радиус трубы (R, от центра до внешнего края). Радиус трубы был зафиксирован на уровне 10 мм, тогда как остальные параметры варьировались, чтобы создать большой набор разнообразных структур (1B). Чтобы определить, как каждый параметр влияет на асимметрию потока, первым делом был установлен метод измерения.

Асимметричный поток жидкости характеризуется «диодичностью» (D_i):

D_i (Q) = ∆P_↑ (Q) / ∆P_↓ (Q),

где ∆P_↓ и ∆P_↑ — это перепады давления, измеренные на устройстве в прямом и обратном направлениях соответственно. Поскольку проталкивать жидкость через клапан Тесла в обратном направлении сложнее, то D_i ≥ 1, где D_i = 1 указывает на отсутствие асимметрии. В данных опытах устройство представляет собой спиральную трубу, потому измерялась скорость потока, а не перепады давления (1D). Конус спирали ориентирован либо вниз (прямое направление), либо вверх (обратное направление; 1D). Ученые преобразовывали поток в трубе (Q) в эквивалентные длины полых трубок (l), которые соответствуют перепадам давления (P; схема ниже).


Изображение №2

Предельные случаи дают качественное понимание того, как диодичность должна меняться в зависимости от четырех экспериментальных параметров для спиральных труб (p, r_hole, α и n_turns). Эти пределы показаны на вставках изображения №3:

• Шаг (p): При p → 0 спиральная труба напоминает цилиндрическую трубу с толстыми стенками, поэтому D_i → 1. На другом полюсе, при p → ∞, ее влияние на поток уменьшается, поэтому D_i → 1;
• Радиус отверстия (r_hole): При r_hole → 0 спиральная труба напоминает спиральную полую трубу, для которой не ожидается асимметрии потока, поэтому D_i → 1. На другом полюсе, когда r_hole приближается к радиусу трубы, труба напоминает цилиндрическую трубу. Поэтому при r_hole → 10 см, D_i → 1;
• Угол (α),: При α → 0 спиральная труба становится симметричной. Поэтому при tan(α) → 0, D_i → 1. Когда угол приближается к 90°, спиральная труба напоминает цилиндрическую трубу. Поэтому при tan(α) → ∞, D_i → 1;
• Количество витков (n_turns): При n_turns → 0 внутренняя спираль исчезает, оставляя цилиндрическую трубку, поэтому D_i → 1. По мере увеличения n_turns ожидается увеличение асимметрии, но ее детальное поведение неизвестно. Для некоторых конструкций клапанов Тесла диодичность приближается к асимптоте по мере увеличения числа одинаковых элементов в ряду.

Эти предельные случаи подразумевают, что асимметрия потока максимальна при промежуточных значениях шага, r_hole и угла и достигает асимптотического значения по мере увеличения числа витков. Поскольку исследуемая система работает далеко от режима ламинарного течения, точные значения диодичности трудно предсказать. Поэтому ученые выходили за рамки качественных ограничений, чтобы количественно измерить диодичности в жестких спиральных трубах.


Изображение №3

По словам ученых, самый поразительный результат для этих жестких спиральных труб заключается в том, что почти все значения протестированных параметров вызывают большую асимметрию потока (графики выше). Измеренные значения диодичности (во многих случаях 2 ≤ D_i ≤ 3) велики по сравнению с диодичностью, измеренной в традиционных клапанах Тесла. В литературе содержится только несколько экспериментально измеренных диодичностей клапанов Тесла с зарегистрированными значениями D_i ~ 2. Напротив, было проведено много численных анализов конструкций клапанов Тесла, почти все из которых выдали 1 < D_i < 2. В одном экстремальном случае численная оптимизация формы, включающая интенсивное исследование конструкций и параметров, обнаружила высокоэффективную конструкцию с одним клапаном с D_i ~ 2 до 4.

Другими словами, биомиметические спиральные трубы (даже жесткие структуры без деформации, вызванной потоком) могут работать лучше, чем большинство клапанов Тесла, что сопоставимо с сильно оптимизированными конструкциями. Данные выше на всех четырех графиках представляют возмущения от начального набора параметров p = 15 мм, r_hole = 3 мм, tan(α) = 1.5 и n_turns = 7.5. Когда последовательно менялся шаг и r_hole, появлялись четкие максимумы при p = 7.5 мм и при r_hole = 4–5 мм. По мере увеличения числа витков диодичность, по-видимому, выходит на плато, что согласуется с асимптотическими диодичносями в микрофлюидных клапанах.

Чтобы понять, как параметры конструкции влияют на диодичность в диапазоне значений на графиках выше, ученые разработали феноменологическую модель. Во-первых, размерность задачи была уменьшена, определив спиральную длину h = √ p² + π²²_hole, где диодичность достигает пика при промежуточных значениях безразмерной переменной h/R. Затем была протестирована модель, в которой эффективная длина спиральной трубки (l) зависит отдельно от трех параметров: h, α и n_turns, где l = H(h) ∙ A(α) ∙ N(n_turns). Было обнаружено хорошее согласие между этой моделью и данными в большинстве диапазонов параметров в проведенных экспериментах.


Изображение №4

Деформация спиральных труб, напечатанных из мягких эластомеров, усиливает асимметрию потока относительно почти всех жестких труб той же конструкции (графики выше). При отсутствии теоретической модели ученые подогнали диодичности на графиках выше к искаженным гауссианам. Пики этих гауссиан соответствуют диодичности от 10 до 15, асимметрия потока примерно в семь раз выше, чем в жестких спиральных трубах или в традиционных вентилях Тесла (4A и 4E).

Деформируемые спиральные трубы не генерируют фиксированное значение диодичности, в отличие от жестких эквивалентов. Вместо этого D_i является функцией скорости потока (Q). Этот контраст между жесткими и деформируемыми трубами аналогичен наблюдению, что электрический резистор имеет фиксированное сопротивление, тогда как диод — нет. Скорости потока, соответствующие самым высоким диодичностями, увеличиваются с числом витков спиральной трубы (4F). Логика этого довольна проста: для деформации большего числа спиральных лопастей требуются большие значения скорости потока. Напротив, степень, в которой деформируемые трубы усиливают диодичность относительно жестких труб, не зависит от числа витков. Отдельное наблюдение заключается в том, что более высокие диодичности сопровождаются большим разбросом данных, независимо от того, имеют ли спиральные трубы одинаковые параметры (4C) или разное число спиральных витков (4D).

Усиление диодичности в деформируемых трубах относительно жестких труб может возникнуть из-за изменений в скорости потока для спиралей, ориентированных в направлении вверх (Q↑), спиралей в направлении вниз (Q↓) или обоих. Ученые обнаружили, что почти все усиление возникает из-за изменений в Q↑, что приводит к высоким значениям эффективной длины l↑, тогда как l↓ примерно постоянна (4B). Это большое изменение в Q↑ подразумевает, что внутренние лопасти спиральных труб деформируются больше, когда спираль ориентирована вверх. Напротив, если какая-либо деформация происходит, когда спиральные трубы ориентированы вниз, она, по-видимому, немного облегчает поток, что приводит к более низким значениям l↓, чем в жестких трубах (4B).

Чтобы проверить, что деформация внутреннего спирального листа приводит к более высокой диодичности, ученые смоделировали деформацию одновитковой спирали в аналоговых сценариях равномерной нагрузки и силы тяжести. Было установлено, что большая часть деформации локализована на верхнем и нижнем крае спирали (а не равномерно изменяет такой параметр, как угол). Затем на 3D-принтере были созданы деформированные конфигурации в жестких материалах с фиксацией деформации. Ученые измеряли поток через полученные жесткие структуры. Как и в деформируемых трубах, жесткие трубы с зафиксированными деформациями производят большие эффективные длины, когда спираль ориентирована вверх, тогда как деформации производят небольшое изменение эффективной длины, когда спираль ориентирована вниз. В результате диодичность одновитковой спиральной трубы с зафиксированными деформациями почти в три раза больше, чем у недеформированной трубы.


Чёрная собачья акула (Centroscyllium nigrum), обитающая в восточной части Тихого океана на глубине от 269 до 1143 м.

Спиральные трубы, показанные на изображении №1, были вдохновлены более сложными структурами в кишечнике акул и скатов. Эти структуры различаются от вида к виду. Ученые создали 3D-модели спирального кишечника акулы-собаки (Centroscyllium nigrum) на основе цифровых томограмм. На 3D-принтере были напечатаны жесткие версии модели трех разных длин: полную модель, верхние две трети и верхнюю треть. Все три версии генерировали асимметрию потока в диапазоне от 1.15 до 1.4, что сопоставимо с традиционными клапанами Тесла. Конечно, акулы не являются жесткими. Ультразвук in vivo выявляет скручивание, волны сокращения и волнообразные волны в кишечнике акул. Более полное понимание асимметрии потока в этих структурах потребует сверхмягких материалов, связанных с биомиметическими движениями.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые решили изучить спиралевидный кишечник акул и сопоставить его с клапанами Тесла. В ходе исследования ученые попытались ответить на ряд вопросов: будут ли спиральные трубы действовать как клапаны Тесла, какие параметры могут увеличить асимметрию потока и будет ли она усилена деформациями внутренней спиральной структуры, вызванными потоком?

Было обнаружено, что что жесткие спиральные трубы налагают высокую асимметрию потока, превышающую таковую у большинства традиционных клапанов Тесла. Ученые отмечают, что им неизвестны какие-либо другие экспериментально измеренные структуры, которые достигают такой высокой асимметрии потока при отсутствии движущихся частей. Оптимизация параметров конструкции трубы, вероятно, подтолкнет асимметрию потока к еще более высоким значениям. Дополнительным бонусом является то, что трубы являются трехмерными, поэтому они имеют потенциал для размещения больших объемов жидкости, чем традиционные квазидвумерные клапаны Тесла, и они могут найти применение в более крупных коммерческих устройствах.

Когда ученые воспроизвели спиральные трубы в деформируемых материалах, они обнаружили очень большую асимметрию потока, примерно в семь раз выше, чем в жестких трубах или клапанах Тесла. Обычно взаимодействия между эластичными структурами и жидкостями рассматриваются с точки зрения того, как изменения формы структуры влияют на поток в окружающей жидкости, что приводит к подвижности Другим распространенным преимуществом является рассмотрение того, как гидравлический поток вызывает большие изменения в форме структуры, как у мягких роботов. В данном же труде была выражена иная мысль: поток жидкости зависит от деформации, которую он накладывает на эластичную структуру.

В ходе экспериментов ученые использовали один из самых мягких коммерчески доступных эластомеров для 3D-печати. Учитывая, что область 3D-печати быстро развивается, более мягкие материалы, такие как гидрогели, вскоре могут стать широко доступными. Однако постоянной проблемой является поиск очень мягких материалов, которые могут выдерживать высокие деформации. Поскольку более мягкие эластомерные материалы разрабатываются и интегрируются в конструкции спиральных труб, ученые считают, что асимметрия потока будет возникать при более низких числах Рейнольдса.

Авторы исследования считают, что их труд по достижению максимального контроля над потоками жидкостей будет крайне полезен во многих отраслях, начиная от медицины и заканчивая мягкой робототехникой. Однако, внутренности намного мягче даже самых мягких синтетических материалов, что есть на данный момент. Следовательно, есть простор для совершенствования данной технологии.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?