دراسة جديدة: تصميم أمعاء سمك القرش يتيح أنابيب خالية من الصمامات لتدفق السوائل

كشف تقرير أنه تم تطوير أنابيب مصممة لتمكين تدفق السوائل في اتجاه واحد دون استخدام الصمامات، مستلهمة من البنية المعوية لأسماك القرش، ابتكر الباحثون في جامعة واشنطن أنابيب تتميز بوجود حلزون داخلي، والذي يحاكي الأمعاء ذات الشكل اللولبي الموجودة في أسماك القرش.

وقد يمهد هذا التصميم الطريق لأنظمة نقل السوائل الأكثر متانة من خلال القضاء على الحاجة إلى الصمامات التقليدية، وتمت دراسة البنية المعوية لأسماك القرش، والتي تقيد بشكل طبيعي التدفق في اتجاه واحد، لتحديد تطبيقاتها المحتملة في الهندسة.

ونشر الفريق  نتائجه  في مجلة Proceedings of the National Academy of Sciences. وأشرفت على البحث سارة كيلر، وهي كيميائية في جامعة واشنطن، والتي استكشفت ما إذا كان من الممكن تكرار هذه الآلية البيولوجية في الأنظمة الاصطناعية، ووصفت كيلر لـ Science News Explores كيف تضمن التحقيق التعاون بين خبراء في الفيزياء وكيمياء المواد لضمان الاختبار الشامل وتطوير المفهوم.

تم اختبار الحلزونات الصلبة والمرنة
 

استخدم فريق البحث الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنشاء أنابيب صلبة تحاكي البنية الحلزونية لأمعاء القرش. تميز كل أنبوب باختلافات في الحجم والزاوية وكثافة الملفات، تم اختبار هذه التصاميم مع تدفق المياه لتقييم كفاءتها في تعزيز الحركة في اتجاه واحد.

وبحسب التقرير، فقد تبين أن الأنابيب ذات اللولب المتجه للأسفل تسمح بتدفق الماء بمعدل أسرع مرتين إلى ثلاث مرات مقارنة بالتكوينات ذات الاتجاه لأعلى، وأوضح إيدو ليفين، وهو فيزيائي شارك في الدراسة، أن التكوين المتجه للأسفل يعكس الاتجاه الطبيعي لأمعاء سمك القرش، مما يؤدي إلى أداء تدفق مثالي.

ويؤكد التقرير كذلك أن الإصدارات المرنة من الأنابيب تم إنتاجها أيضًا لمراقبة تأثيرات التشوه على ديناميكيات السوائل.

وذكر ليفين أن سرعة التدفق زادت بشكل ملحوظ حتى 15 مرة أسرع عندما كان الحلزون موجهًا إلى الأسفل في الأنابيب المرنة ، وأشار كيلر في بيان إلى أن التفاعل بين مادة الأنبوب والسائل المتدفق لا يزال قيد التحقيق لفهم هذا التأثير بشكل كامل.

التطبيقات المستقبلية التي تم النظر فيها
 

وقد تم تسليط الضوء على التطبيقات المحتملة لهذه التقنية، وخاصة في المناطق التي تعتبر فيها الموثوقية أمراً بالغ الأهمية، وأشار ألشاكيم نيلسون، وهو كيميائي متخصص في المواد في الفريق، في بيان، إلى أن مثل هذه الأنابيب الخالية من الصمامات يمكن أن تكون مفيدة في أنظمة الصرف أو آليات تدفق الهواء، حيث قد تفشل الصمامات التقليدية بسبب التآكل بمرور الوقت، ويُعتقد أن غياب الأجزاء المتحركة في هذا التصميم يعزز المتانة ويقلل من متطلبات الصيانة.