神奇！管道中單向流體流動竟受鯊魚腸道啓發

擋板發揮着至關重要的作用。從跳動的心臟到運轉中的發動機，擋板有助於液體單向流動。沒有它們，讓液體朝着正確的方向流動是很難做到的。

華盛頓大學的研究人員發現了一種幫助液體單向流動的新方法——但無需擋板。在 9 月 24 日發表於《美國國家科學院院刊》的一篇論文中，他們報告稱，一種內部具有受鯊魚腸道啓發的螺旋結構的柔性管道，可以在沒有發動機和解剖結構所依賴的擋板的情況下保持液體單向流動。

但對於鯊魚和鰩魚而言，其腸道內部通道周圍存在一個螺旋網絡。在 2021 年的一篇出版物中，另一個團隊提出，這種獨特的結構促進了液體在鯊魚和鰩魚的消化道中單向流動——也稱爲流動不對稱——無需擋板或其他防止迴流的輔助手段。這一說法引起了華盛頓大學博士後研究員伊多·萊文的關注，他是此篇新論文的主要作者。

“在沒有活動擋板的管道中實現流動不對稱具有巨大的技術潛力，不過其機制令人費解，”萊文說道。“不清楚鯊魚腸道結構的哪些部分導致了這種不對稱，哪些部分只是爲了增加營養吸收的表面積。”

爲回答這些問題，萊文帶領了一個團隊，團隊成員包括共同作者薩拉·凱勒和阿爾沙基姆·尼爾森，這兩位都是華盛頓大學的化學教授，還有華盛頓大學的博士後研究員納羅亞·薩達巴。

他們 3D 打印了一系列“仿生管道”，這些管道內部的所有螺旋結構均受鯊魚腸道佈局的啓發。

他們對這些原型管道的幾何參數進行了改變，比如螺旋的螺距角或者匝數。

“第一次測量流動不對稱性是一個‘尤里卡’時刻，”萊文說道。“在此之前的那一瞬間，我們不清楚我們理想化的結構能否重現鯊魚身上所看到的流動效應。”

通過進一步調整幾何參數並打印新的設計方案，研究人員增強了流動的不對稱性，使其能夠與著名發明家尼古拉·特斯拉的設計相匹敵，甚至超越了他的設計。

“可不是每天都能勝過特斯拉的，”萊文說道。

但是鯊魚的腸道——跟人類的腸道一樣——並非是剛性的。

該團隊猜測，由更柔韌的材料製成的所謂“可變形結構”用作特斯拉閥或許會有更出色的表現。

他們使用可打印且在市面上有售的最柔軟聚合物，通過 3D 打印技術製作了第二批原型。

這些柔性管道設計，通過其“可變形性”和內部螺旋結構，能更好地對鯊魚腸道進行模擬，其性能至少比此前所有測量過的特斯拉閥高出七倍。

“化學家們已經有開發同時具備柔軟、堅固且可打印特性的聚合物的動力，”開發新型聚合物的專家納爾遜說。“這些聚合物在從工程到醫學等應用中控制流量的潛在用途，進一步增強了這一動力。”

“實際的腸道仍舊比我們的軟材料柔軟大約 100 倍，”薩達巴說。

凱勒認爲該項目的成功得益於團隊在生物學、化學和物理學方面的跨學科構想，還有鯊魚本身。

“仿生學是發現新設計的有力途徑，”凱勒說道。“我們自己壓根兒就想不到這些結構。”