Искусственная акулья кожа позволит плавать быстрее

Снимок сканирующего электронного микроскопа: структура искусственной акульей кожи

(фото Johannes Oeffner, Li Wen, James Weaver, George Lauder).

Кожа акулы чешуйчатая, а вовсе не гладкая

(фото Wikimedia Commons).

Искусственная акулья кожа и единичный зубчик

(фото и иллюстрация Wen, Weaver, Lauder).

Издалека кожа акулы кажется гладкой и блестящей. Но при ближайшем рассмотрении выясняется, что вся она покрыта мельчайшими чешуйками с "зубчиками". Эти микроскопические структуры уменьшают лобовое сопротивление, которое мешает животному быстро продвигаться вперёд, и тем самым способствует эргономичному плаванию.

Поскольку красть у акул их кожу было бы не только неэтично, но и бессмысленно, инженеры Джордж Лаудер (George Lauder), Ли Вэнь (Li Wen) и Джеймс Уивер (James Weaver) из Гарвардского университета решили создать искусственный её аналог. В статье, опубликованной в издании Journal of Experimental Biology, авторы отмечают, что структура искусственной кожи способна увеличить скорость плавания на 6,6%.

Снимок сканирующего электронного микроскопа: структура искусственной акульей кожи
Снимок сканирующего электронного микроскопа: структура искусственной акульей кожи
(фото Johannes Oeffner, Li Wen, James Weaver, George Lauder).

Изначально Лаудер взял небольшой образец кожи у акулы мако для сканирования и получил изображения структуры в высоком разрешении. Затем он увеличил снимок до одного зубчика (длина около 0,15 мм), чтобы получить детальную его модель. На компьютере инженеры создали эскиз, воспроизведя один акулий зубчик тысячи раз на равном расстоянии.

"После рассмотрения нескольких вариантов подходов, мы решили, что единственный способ встроить жесткие зубцы в гибкую подложку — это 3D-печать", — рассказывает Лаудер.

Кожа акулы чешуйчатая, а вовсе не гладкая
Кожа акулы чешуйчатая, а вовсе не гладкая
(фото Wikimedia Commons).

У акулы зубчики расположены на мембране (то есть структура состоит из материалов с разными свойствами, что является проблемой для 3D-печати) и накладываются друга на друга (ещё одна сложность). После ряда тестов, которые заняли у инженеров целый год, им удалось создать модель с оптимальным расстоянием между зубчиками. Для этого подбирались различные материалы и протоколы печати.

"Мы рассмотрели полученную гибкую подложку с зубчиками в сканирующий электронный микроскоп и поняли, что мы всё-таки осуществили задуманное", — признаётся Лаудер.

Чтобы протестировать разработку на эффективность, инженеры прикрепили образцы кожи к гибкой фольге и опустили всю конструкцию в воду. Они имитировали движения тела рыбы и измеряли силы, действующие на объект в движении и в состоянии покоя.

Искусственная акулья кожа и единичный зубчик
Искусственная акулья кожа и единичный зубчик
(фото и иллюстрация Wen, Weaver, Lauder).

Как выяснилось, сопротивление при прямолинейном движении с низкой скоростью снизилось на 8,7%, а при максимально высоких скоростях (0,6 метра в секунду) акулья кожа провоцировала на 15% больше сопротивления, чем гладкая мембрана. Тем не менее, когда прототип заставили плавать, извиваясь, словно рыба, скорость возросла на 6,6%, а расход энергии снизился на 5,9%.

"Мы стали первыми, кто измерил энергетическую "стоимость" кожи акулы и скорость движения в зубчатой структуре по сравнению с гладкой поверхностью", — сообщает Лаудер.

Испытания прототипа пока не завершены. Инженеры хотят посмотреть, как повлияет на производительность изменения в расположении зубчиков относительно друг друга. Когда будет создана оптимальная модель, Лаудер и его коллеги попробуют изготовить из него высокотехнологичный костюм для дайвинга.

Также по теме:
Рыба вдохновила инженеров на создание нового класса роботов-водолазов
Животные вдохновили ученых на создание гибкой брони
Искусственная кожа способна чувствовать прикосновения и залечивать раны
Ученые создали пуленепробиваемую кожу
Новый электронный сенсор способен соперничать по чувствительности с человеческой кожей
Реактивный экзоскелет позволит прогуляться по океанскому дну