Дослідження акул і скатів: нові горизонти для біодизайну та інженерії
Вчені з Городського університету Гонконга під керівництвом професора Мейсона Діна виявили унікальні механізми, які дозволяють акулам і скатам зберігати жорстке захисне покриття на своїх хрящах у процесі росту. Це дослідження, опубліковане у журналі Advanced Science, відкриває нові перспективи для інженерії та біодизайну, оскільки піднімає важливі питання про адаптивні структури в природі.
Хрящі акул і скатів відрізняються від скелетів більшості риб — вони містять хрящову тканину, покриту численними плитками, відомими як тессери. Ці плитки щільно укладаються, формуючи своєрідний броньовий шар. Дослідження з використанням мікрокомп’ютерної томографії дозволило вченим картувати розподіл тессер на скелеті скатів різного віку, виявляючи цікаві особливості їхньої структури та функціонування.
Виявлено, що кількість плиток не зростає — вони просто збільшуються у розмірах, залишаючи форму незмінною. «Спостерігається домінування шестиугольників з наявністю п’ятикутних та семикутних плиток», — зазначає професор Дін, порівнюючи цю структуру зі складною формою футбольного м’яча.
Цікаво, що природа вирішила задачу, яка була б складною для проектування людиною. При збільшенні розмірів тессер, системі вдається уникнути виникнення проміжків, оскільки швидкість зростання плиток пропорційна їхньому розміру. Це означає, що великі плитки ростуть швидше і автоматично заповнюють пробіли.
Але як же поверхня можливих структур «знає», куди та наскільки їй потрібно збільшитися? Вчені вважають, що клітини між тессерами здатні відчувати цю потребу за допомогою реєстрації напруги в волокнах між плитками різного розміру. Це спостереження підкреслює елегантність та ефективність природних рішень у системі акул і скатів, яка існує протягом мільйонів років.
Дослідження професора Діна може стати основою для нових інженерних рішень. Відзначається, що подібні біологічні рішення демонструють, як живі організми обходять обмеження своїх фізичних конструкцій, надаючи вченим нові інструменти для розробки складних і динамічних архітектурних матеріалів.
Сьогодні, коли теми екології та збереження природних ресурсів стають все більш актуальними, розвиток біодизайну на основі природних рішень може стати ключовим для створення більш стійких і адаптивних технологій. Використання цих знань у сучасних інженерних практиках може відкрити нові можливості для створення інноваційних матеріалів, які поєднують в собі легкість, міцність та гнучкість, що вже зацікавило математиків, архітекторів та інженерів у сфері 3D-друку.
Усвідомлення природних механізмів захисту акул і скатів може стати потужним поштовхом у розвитку нових технологій, які будуть відповідати вимогам сучасності та екологічності.
