Любители пиццы хорошо знают, что простая U-образная кривизна на корке может предотвратить свисание тонкого ломтика, когда его снимают с тарелки. Группа инженеров из Университета Брауна показала, что рыбы могут использовать примерно ту же динамику, чтобы сделать свои плавники более жесткими для плавания.
Используя математическую модель и грудной плавник скумбрии в качестве иллюстративного примера, исследователи показывают, как жесткость плавника может быть изменена путем применения U-образной кривизны в основании плавника. Исследователи говорят, что этот эффект может лежать в основе способности рыб плавать с различной скоростью во всех видах течений с большой маневренностью.
«Один из способов стать более маневренным - это иметь возможность генерировать различное усилие на воде при взмахах плавником», - сказал Шреяс Мандре, доцент Инженерной школы Брауна и соавтор исследования. исследование. «Мы думаем, что рыбы модулируют кривизну плавника, чтобы сделать его жестче или мягче, что изменяет силу, которую они создают на воде, что, в свою очередь, может лежать в основе их маневренности».
Исследование проводилось в сотрудничестве с Хои Нгуеном и Мадхусудханом Венкадесаном из Йельского университета, Нинг Ю из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Махешем М. Банди из Окинавского института науки и технологий. Это описано в Journal of the Royal Society Interface.
Математическая модель, разработанная Мандре и его коллегами, применима к большому классу рыб, известному как Actinopterygii. Это виды рыб с веерообразными плавниками, состоящими из длинных гибких костей, скрепленных эластичной мягкой тканью.
Вообще говоря, говорят исследователи, предполагалось, что жесткость этих плавников рассчитывается как жесткость на изгиб каждой кости, умноженная на количество костей. Но эта простая картина игнорирует механическое взаимодействие между сгибаемыми костями и эластичной кожей, что может привести к гораздо большей жесткости, чем предполагает простая модель. Это взаимодействие также оказывается механизмом, с помощью которого рыба меняет жесткость плавника за счет искривления у основания.
Исследователи рассмотрели микро-КТ-сканы костных массивов в плавниках скумбрии, которые в целом характерны для рыб с лучевыми плавниками. Они показали, что форма костей позволяет им легче сгибаться в определенных направлениях, и что «предпочтительное» направление изгиба каждой кости немного смещено по отношению к соседним костям. Согласно их математическому способу, такое расположение означает, что когда к плавнику прикладывается сила, кости вместе изгибаются таким образом, что заставляют их расходиться. Однако этому раскручивающемуся движению противодействует эластичная ткань, соединяющая кости, и именно это сопротивление делает весь плавник жестким.
Способ, которым эта архитектура передает силы, в целом аналогичен тому, как силы передаются в куске пиццы, который изогнут в корке и становится более жестким по всей длине. Только в этом случае эффект кривизны «запекается» в плавнике, что означает, что он имеет механические преимущества кривой, даже когда он плоский. Применение реальной кривизны у основания ребра усилит эффект жесткости.
«Таким образом, регулируя кривизну, рыбы могут быстро и резко изменить силу, с которой они могут толкать воду, что может сделать их более маневренными», - сказал Мандре..
Исследователи говорят, что их модель предлагает интригующие возможности для создания роботов-пловцов.
«Эти результаты помогают нам понять функциональное значение кривизны плавников рыб», - сказал Мандре. «Таким образом, это дает принцип конструкции, который мы потенциально можем использовать для разработки роботизированных придатков для высокоманевренного водного движения».