L'ingegnere professor Francois Barthelat ha esaminato i meccanismi che consentono alle pinne di essere flessibili e rigide allo stesso tempo, con i muscoli alla base che impartiscono increspature lisce che esercitano una forza considerevole sul loro ambiente.
"Hai questa doppia capacità in cui le pinne possono trasformarsi, eppure sono ancora piuttosto rigide quando spingono l'acqua", ha detto.
"Se guardi una pinna, vedrai che è fatta di molti raggi rigidi", ha detto Barthelat. "Ciascuno di quei raggi può essere manipolato individualmente proprio come le tue dita, ma ce ne sono 20 o 30 in ogni pinna."
I raggi sono costituiti da filamenti segmentati e mineralizzati duri chiamati emitrich, uniti da un bordo all'altro con collagene molto più morbido, "rendendoli il perfetto equilibrio tra elastico e rigido", secondo l'università.
Tirare un emitrich e spingere il successivo fa piegare il raggio.
Il team ha utilizzato simulazioni al computer e strutture stampate in 3D per comprendere la biomeccanica.
I raggi reali sono segmentati lungo la loro lunghezza, ed è emerso che questo è importante in quanto varia periodicamente la rigidità.
Raggi modellati con rigidità costante lungo la loro lunghezza (destra) si è rivelato troppo rigido per funzionare efficacemente, mentre la segmentazione (in alto a sinistra) funzionamento migliorato.
"Fino a poco tempo fa, la funzione di quei segmenti non era stata chiara", ha detto Barthelat. "I segmenti, essenzialmente, creano questi minuscoli cardini lungo il raggio".
"Quando provi a comprimere o tirare su quegli strati ossei, hanno una rigidità molto elevata", ha continuato. “Questo è fondamentale affinché il raggio resista e produca forze idrodinamiche che spingono sull'acqua. Ma se provi a piegare i singoli strati ossei, sono molto cedevoli e quella parte è fondamentale affinché i raggi si deformino facilmente dai muscoli della base.
Dove potrebbe essere utilizzata questa conoscenza?
Le ali flessibili degli aerei, per cominciare, ha detto Barthelat. “Gli aeroplani lo fanno ora, in una certa misura, quando abbassano i flap, ma in modo rigido. Un'ala fatta di materiali morphing, al contrario, potrebbe cambiare la sua forma in modo più radicale e continuo, proprio come un uccello”.
Il progetto ha solo scalfito la superficie, ha affermato Barthelat: "Ci piace riprendere da dove i biologi e gli zoologi hanno lasciato, usando il nostro background nella meccanica dei materiali per approfondire la nostra comprensione delle incredibili proprietà del mondo naturale".
L'Università del Colorado Boulder ha lavorato con l'Università Cattolica di Lovanio, l'Università di Sydney e il MIT.
"Le segmentazioni nelle alette consentono ampie ampiezze di morphing combinate con un'elevata rigidità flessionale per materiali robotici ispirati ai pesci" descrive la ricerca in Science Robotics – pagamento richiesto per l'intero documento.