Біологія
Технології
Біологія
Технології

Інженери надрукували морську зірку та пояснили їхню підводну стійкість

Американські вчені дійшли висновку, що втриматися на місці навіть під час приливів морським зіркам допомагають не лише присоски на ніжках, а і їхня трикутна форма. Вона допомагає тваринам використовувати притискну силу незалежно від того, з якого боку вдарить хвиля. Свої висновки інженери перевірили на 3D-моделях різних форм та пропонують звернути увагу на роль конструкції зірок, щоб і підводні роботи не страждали від приливів. Детальніше про можливості морських зірок можна почитати у статті, опублікованій у Scientific Reports.

Mark Walz / Pexels

Mark Walz / Pexels

Чому вчені не звернулися до морських їжаків?

Однією з основних ролей, яку інженери відводять підводним роботам, є дослідження морської флори та фауни. Вони зможуть вивчати природні системи, майже не впливаючи на них. Втім, навчити робота плавати мало, тим паче, що підводні найчастіше м’які, а тому менш повороткі й при цьому більше страждають від впливу водного середовища. Тож найкращою моделлю поведінки для них є морські зірки, їжаки, огірки та інші голкошкірі — малорухливі створіння, які займаються «спокійним» полюванням за тими, хто пропливає повз.

Саме до морських зірок інженери вирішили звернутися з двох причин — відносна простота форми, яку можна адаптувати до робототехніки, а також, на їхню думку, ці тварини радше підлаштовуються під припливи води, аніж намагаються чинити ним опір. Так, вони також мають і поведінкові реакції на кшталт закопування у пісок або укриття, які можуть допомогти знизити вплив води, однак нові дослідження показують, що морські зірки також змінюють форму тіла у відповідь на умови хвиль, що може вказувати на суттєву роль форми. Вчені не заперечують, що морські їжаки можуть так само знати якийсь енергоощадливий спосіб втримуватися на місці у погану морську погоду, але вважають, що їхня шипаста сфероїдальна форма точно не дає змогу використовувати притискну силу, як це роблять зірки.

Як сила втримує зірок?

Однією з важливих характеристик для перегонових автомобілів є в тому числі притискна сила, яка притискає машину до дороги, посилює зчеплення та допомагає розганятися і маневрувати. Вчені помітили, що на їхні роздруковані на 3D-принтері моделі морських зірок різної форми, а особливо п’ятикутних, також діяла подібна сила — рідина притискала моделі до поверхні. Інженери штовхали свої моделі хвилями різної сили і помітили, як потік води просто відхилявся вгору, бо трикутна форма ніжок діяла як пандус. Так морська зірка відштовхує потік, а він створює рівну і протилежну силу, яка штовхає тварину вниз. За словами інженерів, це перше свідчення використання морськими зірками притискної сили, яка у тому числі може впливати на розвиток ними їхньої п’ятикутної форми.

У своїй роботі вчені обмежилися лише прикладами п’ятикутних морських зірок, хоча вони бувають з різною текстурою, кількістю ніжок та іншими морфологічними особливостями. За словами дослідників, вони розглядали моделі, зіставні за формою і розміром з дорослими фіолетовими морськими зірками, щоб виокремити вплив саме співвідношення сторін та форми. Так вже були дослідження, присвячені вивченню обтікання об'єктів різної геометричної форми, як-то куби, циліндри, конуси або піраміди, однак вони оцінювали лише опір та коефіцієнт цього опору навколишньому середовищу, не враховуючи підіймальну або навпаки притискну силу. Хоча вона, на думку науковців, є важливим показником для, наприклад, роботів, яким доведеться закріплюватися за якусь поверхню.

Траєкторії водних потоків від моделей різних форм. Кожна модель розміщена в спадному порядку виникнення притискної сили. Mark Hermes et. al. / Scientific Reports, 2021

Траєкторії водних потоків від моделей різних форм. Кожна модель розміщена в спадному порядку виникнення притискної сили. Mark Hermes et. al. / Scientific Reports, 2021

Чому саме п’ять кутів?

У своїх експериментах, інженери ставили свої моделі так, щоб їхні кінцівки були напрямлені на потік води. Як і очікувалося, величина опору і притискної сили, створювані моделями, збільшувалися зі збільшенням швидкості хвилі, а у моделей за формою морських зірок сила опору збільшувалася зі збільшенням співвідношення сторін. Так п’ятикутні зірки були набагато більш стійкими. Результати моделювання показують, що притискні сили просто не виникають у конусо- або пірамідоподібних формах, навіть не зважаючи на те, що у них також є гострі вершини.

Дослідники наголошують, що використання таких морфологічних переваг дасть роботам змогу використовувати переваги навколишнього середовища замість того, щоб боротися з ним. Хоча варто зазначити, що у роботі вчені все ж розглянули досить обмежену вибірку форм, а у зонах з сильними приливними силами також потрібно враховувати й інерційні ефекти, це перша робота, яка зафіксувала вплив притискної сили через п'ятикутну форму тіла морських зірок.