Der Ingenieur Professor Francois Barthelat hat die Mechanik untersucht, die es ermöglicht, Flossen gleichzeitig flexibel und steif zu sein, wobei die Muskeln an der Basis sanfte Wellen erzeugen, die eine erhebliche Kraft auf ihre Umgebung ausüben.
„Sie erhalten diese doppelte Fähigkeit, bei der sich Flossen verändern können und dennoch ziemlich steif sind, wenn sie Wasser drücken“, sagte er.
„Wenn man sich eine Flosse ansieht, sieht man, dass sie aus vielen steifen Strahlen besteht“, sagte Barthelat. „Jeder dieser Strahlen kann individuell wie Ihre Finger manipuliert werden, aber es gibt 20 oder 30 davon in jeder Flosse.“
Die Strahlen bestehen aus harten mineralisierten segmentierten Strängen, die als Hemitrichs bezeichnet werden und von Kante zu Kante mit viel weicherem Kollagen verbunden sind, was sie laut der Universität "zu einem perfekten Gleichgewicht zwischen Sprungkraft und Steifheit macht".
Wenn man an einem Hemitrich zieht und am nächsten drückt, verbiegt sich der Strahl.
Das Team verwendete Computersimulationen und 3D-gedruckte Strukturen, um die Biomechanik zu verstehen.
Reale Strahlen werden entlang ihrer Länge segmentiert, und es stellte sich heraus, dass dies wichtig ist, da sie die Steifigkeit periodisch ändert.
Modellierte Strahlen mit konstanter Steifigkeit entlang ihrer Länge (Recht) erwies sich als zu steif, um effektiv zu arbeiten, während die Segmentierung (oben links) verbesserte Bedienung.
„Bis vor kurzem war die Funktion dieser Segmente nicht klar“, sagt Barthelat. „Die Segmente erzeugen im Wesentlichen diese winzigen Scharniere entlang des Strahls.“
„Wenn Sie versuchen, diese Knochenschichten zu komprimieren oder zu ziehen, haben sie eine sehr hohe Steifigkeit“, fuhr er fort. „Dies ist entscheidend für den Strahl, um hydrodynamischen Kräften zu widerstehen und sie zu erzeugen, die auf Wasser drücken. Aber wenn Sie versuchen, einzelne Knochenschichten zu biegen, sind sie sehr nachgiebig, und dieser Teil ist entscheidend, damit sich die Strahlen leicht von den Basismuskeln verformen können.“
Wo könnte dieses Wissen genutzt werden?
Flexible Flugzeugtragflächen für den Anfang, sagte Barthelat. „Flugzeuge tun dies jetzt bis zu einem gewissen Grad, wenn sie ihre Klappen fallen lassen, aber das ist auf eine starre Weise. Ein Flügel aus sich wandelnden Materialien hingegen könnte seine Form radikaler und kontinuierlicher ändern, ähnlich wie ein Vogel.“
Das Projekt habe nur an der Oberfläche gekratzt, sagte Barthelat: „Wir knüpfen gerne dort an, wo die Biologen und Zoologen aufgehört haben und nutzen unseren Hintergrund in der Materialmechanik, um unser Verständnis der erstaunlichen Eigenschaften der Natur zu vertiefen.“
Die University of Colorado Boulder arbeitete mit der Catholic University of Louvain, der University of Sydney und dem MIT zusammen.
„Segmentierungen in Flossen ermöglichen große Morphing-Amplituden in Kombination mit hoher Biegesteifigkeit für fischinspirierte Robotermaterialien“, beschreibt die Forschung in Science Robotics – Zahlung für die vollständige Arbeit erforderlich.