Животные развили всевозможные приспособления, чтобы получать необходимые им питательные вещества. У летучих мышей, питающихся нектаром, длинные морды и языки позволяют им нырять в цветы и выходить из них, паря в воздухе. Чтобы помочь делу, их языки покрыты крошечными волосками, которые служат миниатюрными ложками, чтобы зачерпнуть и вытащить вкусный сок.
Теперь инженеры Массачусетского технологического института обнаружили, что для летучих мышей и других питающихся нектаром волосатых языков ключ к эффективному питью лежит в тонком балансе между расстоянием между волосками на языке, густотой жидкости и «скорость втягивания», или как быстро животное засовывает язык назад, чтобы глотнуть нектара. Когда все три параметра находятся в равновесии, значительное количество нектара достигает рта животного, а не вытекает наружу.
Как это бывает, то же самое относится и к другим питающимся нектаром волосатым языком, таким как медоносные пчелы и медовые опоссумы, которые, как обнаружили исследователи, также демонстрируют оптимальное «вязкое увлечение», которое относится к количеству жидкости, которое волосатые поверхности могут вытащить из ванны.
«Существует множество различных методов питья для животных, и то, что мы считаем нормальным, когда мы пьем, на самом деле является особым способом питья», - говорит Пьер-Томас, бывший преподаватель математического факультета Массачусетского технологического института. «Мы надеемся, что наша теория объясняет, каковы основные тенденции этого метода пьянства, и мы считаем, что рационализировали эту своеобразную технику питья».
Брун, который сейчас является доцентом Принстонского университета, выполнял эту текущую работу в Массачусетском технологическом институте вместе с Элис Насто, аспиранткой факультета машиностроения Массачусетского технологического института, и Анетт «Пеко» Хосой, профессором машиностроения и заместитель декана инженерного факультета Массачусетского технологического института. Исследователи опубликовали свои результаты, основанные на сочетании математического моделирования и лабораторных экспериментов, сегодня в журнале Physical Review Fluids.
От бобров до летучих мышей
Способы, которыми жидкость течет через волосистую поверхность, были постоянными исследованиями в лаборатории Хосой. В 2016 году команда изготовила полимерные листы, усеянные крошечными полимерными волосками, и изучила, как эти изготовленные шкуры захватывают воздушные карманы, когда их погружают в ванны с различными жидкостями. Их результаты проливают свет на то, как бобры используют подобные шкуры, чтобы согреться, ныряя в воду. Работа также вдохновила на идею гидрокостюмов, покрытых волосами, чтобы пловцы оставались сухими и теплыми.
"После того, как мы сделали эти поверхности, мы подумали: "У нас есть замечательная система, на которой мы можем проводить эксперименты с жидкостью - что еще мы можем моделировать?", - говорит Насто.
В поисках своего следующего проекта Насто наткнулась на исследование, проведенное исследователями из Университета Брауна, которые сняли высокоскоростные видеоролики о летучих мышах, пьющих нектар из цветка. Проанализировав видео, они обнаружили, что, когда животное погружало язык в цветок и вынимало его, крошечные кровеносные сосуды на волосках его языка наполнялись кровью, заставляя волоски вставать прямо вверх и вытягивать еще больше нектара из цветка. цветок.
«В их исследовании рассматривалась физиология такого питьевого поведения, но они не слишком углублялись в механику этого сбора нектара», - говорит Насто. «Поэтому мы подумали, что именно в этом заключается наш опыт, и мы могли бы попытаться добавить к этому пониманию».
Предсказание капелек от провалов
Для этого Насто и ее коллеги провели эксперименты, имитируя погружение языка летучей мыши. Они изготовили длинные языкообразные полоски полимерного материала, выстланные маленькими волосками высотой 3 миллиметра, по размеру похожими на волоски настоящих летучих мышей. Каждая полоска была покрыта волосками, расположенными с разной плотностью. Исследователи погрузили полоски в ванну с силиконовым маслом, сняли высокоскоростное видео экспериментов, а затем измерили количество жидкости, которая стекала вниз, когда они вытягивали полоску обратно.
Они разработали математическую модель для описания взаимосвязи между размерами волосков на поверхности, скоростью, с которой эта поверхность погружается и выходит из ванны, и свойствами ванны.
В качестве руководства они обратились к теории Ландау-Левича-Дерягина, или теории LLD - математическому уравнению, которое обычно используется для характеристики покрытия погружением и, в частности, толщины пленки, остающейся на плоской поверхности. после погружения в жидкую ванну. Брун разработал новую модель, учитывающую влияние волосистой поверхности, которая, как он предполагал, будет создавать гораздо более толстые пленки жидкости, чем абсолютно плоская поверхность..
«Мы предполагаем, что «язык» изначально заполнен жидкостью, и смоделируем, сколько времени потребуется, чтобы эта жидкость снова опустилась в ванну», - объясняет Брун.
В своей новой модели Брун также включил определенные параметры, такие как высота и расстояние между волосками, а затем в некотором смысле перевернул теорию, чтобы предсказать количество жидкости, стекающей с поверхности, а не количество жидкости. что осталось.
Команда обнаружила, что модель с достаточной точностью предсказала объем дренажа жидкости, который исследователи измерили в своих экспериментах.
Для дальнейшего тестирования модели Насто сконструировал простую экспериментальную ячейку, состоящую из двух стеклянных пластин, соединенных между собой на разном расстоянии друг от друга. Пространство между пластинами аналогично пространству между волосками, а поток между двумя пластинами подобен потоку между двумя соседними волосками. Она положила камеру на бок и наполнила ее жидкостью, затем повернула ее вертикально и измерила скорость, с которой жидкость вытекала. Она повторила эксперимент с ячейками разного размера и жидкостями разной вязкости. Результаты также совпали с предсказаниями новой модели команды.
«Эксперименты позволили нам убедиться, что теория, которую мы придумали, является хорошим способом понять, как скорость дренажа связана с расстоянием между волосками», - говорит Насто.
Естественный кайф
Возвращая свое внимание к природе, исследователи попытались выяснить, может ли их модель предсказать поведение других любителей нектара с волосатым языком. Насто просмотрел статьи по физиологии животных и обнаружил еще два вида, демонстрирующих похожее поведение в отношении питья: медоносные пчелы и мышевидные сумчатые животные, называемые медовыми опоссумами, которые обитают в Австралии.
Команда собрала данные об этих двух видах, а также о летучих мышах, включая размеры волосков на их языках, скорость, с которой они питаются, и тип нектара, который они предпочитают. Они включили все это в свою модель и обнаружили, что все три вида эффективно вытягивают нектар, не позволяя ему вытекать.
«Все они близки к теоретическому оптимуму», - говорит Насто. «Они эволюционировали, чтобы хорошо пить. И если подумать, люди могут использовать инструменты для питья и других действий. Но многие другие животные должны иметь свои инструменты, встроенные в их физиологию."