Изкуствената кожа от акула позволява по-бързо плуване

Отдалеч кожата на акулата изглежда гладка и блестяща. Ако я погледнем от по-близо обаче, става ясно, че тя е покрита с фини косъмчета със „зъбчета”. Тези микроскопични структури намаляват съпротивлението на водата, което пречи на животното да плува бързо и по този начин спомага за ергономичното придвижване.

Тъй като да използваме кожите на акулите би било не само неетично, но и безсмислено, инженерите Джордж Лаудер, Ли Уен и Джеймс Уийвър от Харвардския университет решили да създадат изкуствен еквивалент. В статията, публикувана в изданието Journal Experimental Biology, авторите отбелязват, че структурата на изкуствената кожа е способна да увеличи скоростта на плуването до 6,6%.

Първоначално Лаудер взел малък образец от кожа на акула мако, за да я сканира и получил изображение на структурата й в близък план. След това той увеличил снимките до едно „зъбче” (с дължина 0,15 мм), за да получи подробния му модел. С помощта на компютър инженерите създали ескиз, като възпроизвели хиляди „зъбчета” на равни разстояния едно от друго.

„След разглеждане на няколко варианта на подхода, решихме, че единственият начин да закрепим твърдите зъбци към гъвкавата подложка, е да използваме 3D принтер.” – казва Лаудер.

Тези „зъбчета” са разположени върху мембрана ( структурата се състои от материали с различни свойства, което е проблем при 3D принтирането) и се натрупват едно върху друго. След редица тестове, които отнели на инженерите цяла година, те успели да създадат модел с оптимално разстояние между зъбците. За това те подбирали различни материали и протоколи от печата.

 „Разгледахме получената гъвкава подложка със „зъбчета” през сканиращия електронен микроскоп и разбрахме, че все пак сме постигнали замисъла”,  заявява Лаудер. За да тестват ефективността на разработката, инженерите прикрепили образци от кожата към гъвкаво фолио и спуснали цялата конструкция във водата. Те имитирали движенията на тяло на риба и измерили силите, действащи върху обекта и в състояние на покой.

Става ясно, че съпротивлението при праволинейно движение с ниска скорост намалява с 8,7%, а при максимални скорости (0,6 метра в секунда) кожата от акула произвежда 15% повече съпротивление, отколкото гладката мембрана. Така или иначе, когато прототипът бил „накаран” да плува като риба, скоростта му нараснала с 6,6%, а разходът на енергия спаднал с 5,9%.

„Ние сме първите, които са измерили енергийната „стойност” на кожата от акула и скоростта на движение при наличие на зъбчата структура в сравнение с гладка повърхност”,  информира Лаудер.

Опитите с прототипа не са приключили. Инженерите искат да разберат, как ще повлияят на производителността измененията в разположението на „зъбчетата” едно спрямо друго. Когато се създаде оптимален модел, Лаудер и колегите му ще опитат да направят от него високотехнологичен костюм за гмуркане.