研究人員使用 3D 打印技術(shù)來制造“鯊魚腸“仿生螺旋管

作為奮戰(zhàn)在科技最前沿的有生力量，實(shí)驗(yàn)室和大學(xué)團(tuán)隊(duì)在增材制造領(lǐng)域開辟了越來越多有價(jià)值的發(fā)現(xiàn)，這是因?yàn)?D打印技術(shù)可以制造其他方法無法重現(xiàn)的單元和細(xì)節(jié)。例如，回想一下最近的埃及木乃伊例子，由于采用了 3D 技術(shù)，因此能夠在不干擾原始制品的情況下對(duì)其進(jìn)行研究。這之所以成為可能，主要是因?yàn)檠芯咳藛T可以先對(duì)需要研究的部分進(jìn)行 3D 掃描，然后再獲得該部分的數(shù)字孿生體，然后通過 3D 打印進(jìn)行復(fù)制，再繼續(xù)進(jìn)行探索。此外，3D打印在仿生學(xué)研究上同樣展現(xiàn)出巨大的潛力。

2023年3月22日，南極熊獲悉，由美國(guó)物理學(xué)家 Ido Levin 領(lǐng)導(dǎo)的華盛頓大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)已轉(zhuǎn)向 3D 技術(shù)來研究太平洋刺角鯊腸道的工作機(jī)理，以便在各種應(yīng)用中模仿它，這種3D打印的螺旋管也被稱為“軟機(jī)器人”，或仿生機(jī)器人。

這項(xiàng)研究以題為“Helical pipes may act ashydrodynamic “diodes”: Anomalous fluid flow inspired by shark intestines”的論文被發(fā)表在《Biophysical Journal》期刊上，由Ido Levin、Naroa Sadaba、AlshakimNelson、Sarah L. Keller共同撰寫。

相關(guān)論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.bpj.2022.11.1657

在此之前，我們對(duì)鯊魚吃什么或它們的腸道如何工作知之甚少。在本項(xiàng)研究中，代表著取得突破的第一批圖像是由加利福尼亞州立大學(xué)多明格斯希爾斯分校、華盛頓大學(xué)和加利福尼亞大學(xué)的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)于 2021 年發(fā)布的。研究人員使用 3D 掃描儀從保存在洛杉磯自然歷史博物館的標(biāo)本中掃描刺角鯊魚腸，并創(chuàng)建可用于研究的 3D 圖像。

研究人員根據(jù)掃描結(jié)果得到了出人意料的結(jié)果，他們發(fā)現(xiàn)鯊魚體內(nèi)的這些螺旋形器官會(huì)減慢食物的運(yùn)動(dòng)并將其向下引導(dǎo)通過腸道，除了蠕動(dòng)外還依賴重力，即腸道平滑肌的節(jié)律收縮。腸道的功能與尼古拉·特斯拉 (Nikola Tesla) 于 1920 年獲得專利的閥門相同。此外，最近的一項(xiàng)研究表明，這些結(jié)構(gòu)還具有不對(duì)稱流動(dòng)，促進(jìn)沿消化道（從前到后）的流動(dòng)。華盛頓大學(xué)的團(tuán)隊(duì)希望利用這些特性來制造更好的螺旋管。

3D 打印創(chuàng)造這些鯊魚腸啟發(fā)的設(shè)備

這項(xiàng)研究在 2023 年 2 月取得了成果，此前研究人員 3D 打印了鯊魚腸的復(fù)制品以研究其基礎(chǔ)物理學(xué)。由物理學(xué)家 Ido Levin 領(lǐng)導(dǎo)的華盛頓大學(xué)團(tuán)隊(duì)隨后 3D 打印了螺旋鯊魚腸的簡(jiǎn)化仿生模型。通過測(cè)量各種流體在兩個(gè)方向上通過這些結(jié)構(gòu)的流量，可以提取它們的流體動(dòng)力學(xué)特性。通過用較軟的材料打印結(jié)構(gòu)，研究人員研究了管道變形與流速之間的相互作用。

△鯊魚腸。圖片來源：Ido Levin/華盛頓大學(xué)

這些結(jié)果很重要，因?yàn)樗鼈儗⒛軌蛴糜谠O(shè)計(jì)需要控制流體流動(dòng)和泵送的結(jié)構(gòu)。這種控制流向的能力在從工業(yè)管道、微流體設(shè)備、軟機(jī)器人到醫(yī)療植入物的工程應(yīng)用中具有巨大的潛力。因此，它可應(yīng)用到許多行業(yè)，包括食品、醫(yī)療、制藥和能源行業(yè)。