Рыбы Ремора - известные автостопщики морского мира, обладающие мощными всасывающими дисками на затылке, чтобы прикрепляться торпедообразно к более крупным хозяевам, которые могут обеспечить пищу и безопасность - от китов и акул до лодки и водолазы.
Ключом к прилипанию реморы являются хорошо известные способности диска создавать всасывание, а также трение, создаваемое остроконечными костями внутри диска, называемыми пластинками, для удержания хозяина. Тем не менее, факторы, определяющие эволюцию уникальной морфологии диска реморы, долгое время ускользали от исследователей, стремящихся понять и даже разработать новые устройства и клеи, которые имитируют сверхъестественную способность рыбы фиксироваться на различных типах поверхностей, не причиняя вреда своему хозяину и не затрачивая много энергии. часто часами под воздействием экстремальных океанских сил.
В исследовании, проведенном в Технологическом институте Нью-Джерси (NJIT), исследователи продемонстрировали новый биологически вдохновленный диск remora, способный воспроизводить пассивные силы всасывания и трения, которые питают способности рыб, демонстрируя увеличение до 60% удержание, чем было измерено для живых ремор, прикрепленных к коже акулы.
Используя модель диска для изучения движущих сил эволюции диска реморы, исследователи говорят, что результаты исследования свидетельствуют о том, что современные живые виды ремора со временем развили большее количество ламелл, чтобы повысить их удерживающую способность и способность прикрепляться к более широкий круг хозяев с более гладкой поверхностью, тем самым увеличивая их шансы на выживание.
Исследование, представленное в журнале Bioinspiration and Biomimetics, показывает, что модель диска может быть использована для разработки более эффективных и недорогих адгезивных технологий в будущем.
«Прелесть адгезивного механизма реморы заключается в том, что биологические ткани по своей природе выполняют большую часть работы», - сказал Брук Фламманг, профессор биологических наук в NJIT, который руководил исследованием.«Наиболее важным аспектом этого исследования является то, что наш роботизированный диск полностью полагается на фундаментальную физику, управляющую адгезивным механизмом в реморах, что позволяет нам определить биологически значимые характеристики и получить представление об эволюции диска реморы. Ранее это было невозможно с прошлые проекты, которые требовали, чтобы человек-оператор управлял системой."
Отклоняясь от многих своих ближайших предков-падальщиков, таких как кобия (Rachycentron canadum), рыба-ремора (семейства Echeneidae), как полагают, сначала начала прикрепляться к хозяевам с шероховатой поверхностью, сродни акулам, после того, как он развил свой всасывающий диск из шипов спинного плавника почти 32 миллиона лет назад. Диск живых ремор сегодня имеет мясисто-мягкую внешнюю губу для всасывания, в то время как внутренняя часть диска содержит гораздо больше линейных рядов ткани (ламеллы) с зубоподобными выступами ткани (шипиками), которые рыба поднимает, чтобы создать трение о различных хозяевах. тела, чтобы предотвратить скольжение во время автостопа.
По словам Фламманга, хотя ученые пролили некоторый свет на происхождение модифицированной структуры плавников реморы, фундаментальные аспекты эволюции диска в значительной степени остались неясными.
«Эволюция диска Реморы практически неизвестна», - сказал Фламманг. «В летописи окаменелостей есть одна ископаемая ремора, Opisthomyzon, у которой есть диск с меньшим количеством пластинок [чем сегодняшние реморы] без шипиков ближе к затылку».
Flammang говорит, что это поднимает два вопроса: "как" и "почему".
«Как» исходит от спинного плавника, хотя промежуточные этапы эволюции неизвестны», - объяснил Фламманг. «Если вы посмотрите на филогению remoras, вы увидите, что те виды, которые считаются более производными, имеют больше ламелей… «почему» предполагалось, что это связано с адгезивными свойствами, но это никогда не проверялось до этой статьи».
Чтобы узнать больше, Кейлин Гамел, первый автор исследования и бывший аспирант лаборатории Flammang, разработала диск, вдохновленный remora, из имеющихся в продаже 3D-печатных материалов, который может автономно поддерживать крепление к различным поверхностям и модифицироваться. путем добавления и удаления ламелей, что позволило команде исследовать влияние увеличения количества ламелей на адгезию при сдвиге.
«Способность нашего диска добавлять и удалять ламели, действуя как пассивная система, позволила нам изменить величину трения вместе с давлением окружающей среды внутри диска», - сказал Гамел, ныне доктор философии. научный сотрудник Университета Акрона. «Мы смогли сравнить разницу между отсутствием трения, некоторым трением и сильным трением на основе изменения количества ламелей».
В сотрудничестве с Остином Гарнером, исследователем из Университета Акрона, команда провела тесты на отрыв своей модели диска под водой, экспериментируя с количеством пластин модели (до 12 пластин) для измерения силы сдвига и время, необходимое для вытягивания диска из силиконовых форм с поверхностями от совершенно гладких до шероховатостей, превышающих шероховатость кожи акулы (зернистость 350, 180 и 100).
В целом, команда обнаружила, что адгезионная способность их диска сильно коррелирует с увеличением количества пластин диска, наблюдая «золотую середину» мощности всасывания между девятью и 12 пластинами. После модификации до 12 ламелей и 294 шипиков диск команды весил всего 45 граммов и выдерживал силу 27 Н (ньютонов) в течение 50 секунд - почти в три раза больше силы, которая обычно вытягивает ремору из акулы. Тесты также показали, что для поддержания адгезии необходимо как минимум шесть ламелей - число, случайно обнаруженное на ископаемом Opisthomyzon возрастом 32 миллиона лет.
"Что наиболее поразительно в этих результатах, так это то, что для данной формы диска существует оптимальный диапазон, в котором явления трения и всасывания уравновешены, и [поскольку размер их диска стал больше] реморы эволюционировали до поддерживать эту золотую середину высокоэффективной адгезии», - объяснил Фламманг.
Теперь команда говорит, что их модель диска remora будет использоваться для будущих эволюционных исследований, чтобы узнать, преобладало ли всасывание или трение в прикреплении у самых ранних предков remora и как эволюция формы диска влияет на адгезию. Диск также может иметь инженерное применение во всем, от медицинских биосенсоров и устройств доставки лекарств до геозондирующих меток для экологических исследований и отслеживания морской жизни.«Одно из самых больших преимуществ нашей конструкции заключается в том, что она работает автономно, потому что она полагается только на физику системы для работы», - сказал Фламманг. «Это делает его легко масштабируемым для множества новых технологий, как для медицинских, так и для научных целей».