Ingenieur professor Francois Barthelat heeft de mechanica onderzocht die ervoor zorgt dat vinnen tegelijkertijd flexibel en stijf kunnen zijn, met spieren aan de basis die gladde rimpelingen geven die aanzienlijke kracht uitoefenen op hun omgeving.
"Je krijgt deze dubbele mogelijkheid waarbij vinnen kunnen morphen, en toch zijn ze nog steeds behoorlijk stijf als ze water duwen," zei hij.
'Als je naar een vin kijkt, zie je dat hij uit veel stijve stralen bestaat', zei Barthelat. "Elk van die stralen kan afzonderlijk worden gemanipuleerd, net als je vingers, maar er zijn er 20 of 30 in elke vin."
De stralen zijn gemaakt van harde gemineraliseerde gesegmenteerde strengen, hemitrichs genaamd, die van rand tot rand zijn verbonden met veel zachter collageen, "waardoor ze de perfecte balans zijn tussen veerkrachtig en stijf", aldus de universiteit.
Trekken aan de ene hemitrich en duwen op de volgende zorgt ervoor dat de straal buigt.
Het team gebruikte computersimulaties en 3D-geprinte structuren om de biomechanica te begrijpen.
Echte stralen zijn over hun lengte gesegmenteerd en het bleek dat dit belangrijk is omdat de stijfheid periodiek varieert.
Gemodelleerde stralen met constante stijfheid over hun lengte (rechts) bleek te stijf om effectief te werken, terwijl segmentatie (linksboven) verbeterde werking.
“Tot voor kort was de functie van die segmenten niet duidelijk”, zegt Barthelat. "De segmenten creëren in wezen deze kleine scharnieren langs de straal."
"Als je die benige lagen probeert samen te drukken of eraan te trekken, hebben ze een zeer hoge stijfheid", vervolgde hij. "Dit is van cruciaal belang voor de straal om weerstand te bieden en hydrodynamische krachten te produceren die op water duwen. Maar als je individuele benige lagen probeert te buigen, zijn ze erg meegaand, en dat deel is van cruciaal belang voor de stralen om gemakkelijk te vervormen vanuit de basisspieren.
Waar zou deze kennis kunnen worden gebruikt?
Flexibele vliegtuigvleugels, om te beginnen, zei Barthelat. “Vliegtuigen doen dit nu, tot op zekere hoogte, wanneer ze hun kleppen laten vallen, maar dat is op een rigide manier. Een vleugel gemaakt van morphing materialen daarentegen zou zijn vorm meer radicaal en op een continue manier kunnen veranderen, net als een vogel.”
Het project heeft alleen maar de oppervlakte bekrast, zei Barthelat: "We gaan graag verder waar de biologen en zoölogen zijn geëindigd, en gebruiken onze achtergrond in de mechanica van materialen om ons begrip van de verbazingwekkende eigenschappen van de natuurlijke wereld te vergroten."
De Universiteit van Colorado Boulder werkte samen met de Katholieke Universiteit van Leuven, de Universiteit van Sydney en MIT.
'Segmentaties in vinnen maken grote morphing-amplitudes mogelijk in combinatie met hoge buigstijfheid voor op vissen geïnspireerde robotmaterialen' beschrijft het onderzoek in Science Robotics - betaling vereist voor het volledige artikel.