Las aletas realizan funciones esenciales. Desde corazones que bombean hasta motores que aceleran, las aletas ayudan a que el fluido fluya en una dirección. Sin ellos, es difícil mantener los líquidos en la dirección correcta.
Investigadores de la Universidad de Washington han descubierto una nueva forma de ayudar a que el líquido fluya en una sola dirección, pero sin solapas. En un artículo publicado el 24 de septiembre Actas de la Academia Nacional de Cienciasinforman que un tubo flexible, cuya estructura helicoidal interna está inspirada en los intestinos de los tiburones, puede mantener el fluido fluyendo en una dirección sin las aletas de las que dependen los motores y la anatomía.
Los intestinos humanos son básicamente un tubo hueco. Pero en el caso de los tiburones y las rayas, sus intestinos tienen una red de espirales alrededor del pasaje de entrada. En una publicación de 2021, un equipo diferente propuso que esta estructura única promovía el flujo unidireccional de fluidos a través del sistema digestivo de tiburones y rayas sin aletas u otras ayudas para evitar el retroceso, también conocido como compatibilidad de flujo. Esa afirmación llamó la atención del investigador postdoctoral de la Universidad de Washington, Ido Levine, autor principal del nuevo artículo.
“Las aletas sin movimiento en una tubería para equilibrar el flujo en una tubería tienen un tremendo potencial técnico, pero la metodología fue sorprendente”, dice Levine. “No estaba claro qué partes de la estructura intestinal del tiburón contribuían al desequilibrio y cuáles simplemente funcionaban para aumentar la superficie para la absorción de nutrientes”.
Para responder a estas preguntas, Levin dirigió un equipo que incluía a los coautores Sarah Keller y Alshekeem Nelson, ambos profesores de química de la Universidad de Washington, y Narva Sadaba, investigador postdoctoral de la Universidad de Washington. Imprimieron en 3D una serie de “tubos biomiméticos”, todos con hélices internas inspiradas en la disposición de los intestinos de los tiburones. Variaron los parámetros geométricos de estos prototipos de tubos, como el ángulo de paso de la hélice o el número de vueltas. Sus primeras tuberías se imprimieron con materiales rígidos y descubrieron que algunas mostraban una fuerte preferencia por el flujo unidireccional.
“La primera medición del equilibrio del flujo fue un momento ‘eureka'”, dijo Levine. “Hasta ese momento, no sabíamos si las estructuras de nuestro modelo podrían reproducir los efectos del flujo observados en los tiburones”.
Al ajustar aún más los parámetros geométricos e imprimir nuevos diseños, los investigadores aumentaron el equilibrio del flujo hasta que rivalizó e incluso superó los diseños del famoso inventor Nikola Tesla, quien creó la válvula hace más de un siglo. Dispositivo de flujo de fluido con piezas móviles.
“¡No todos los días se puede vencer a Tesla!” Dijo León.
Pero los intestinos de los tiburones, al igual que los intestinos humanos, no son rígidos. El equipo sospecha que las llamadas “estructuras deformadas”, hechas de materiales más flexibles, podrían funcionar aún mejor, de forma similar a las válvulas de Tesla. Imprimieron en 3D una segunda serie de prototipos hechos del polímero más suave que se puede imprimir y está disponible comercialmente. Este diseño de tubería flexible, que imita las tripas de tiburón tanto por su “deformabilidad” como por sus hélices internas, funciona al menos siete veces mejor que todas las válvulas Tesla medidas anteriormente.
“Los químicos ya estaban entusiasmados con el desarrollo de polímeros que fueran a la vez suaves, fuertes e imprimibles”, dijo Nielsen, un experto en el desarrollo de nuevos tipos de polímeros. “El uso potencial de estos polímeros para controlar el flujo en aplicaciones que van desde la ingeniería hasta la medicina fortalece este impulso”.
“Los intestinos reales siguen siendo unas 100 veces más blandos que nuestro material blando, por lo que hay mucho margen de mejora”, afirmó Sadaba.
Keller atribuye el éxito del proyecto a las ideas interdisciplinarias del equipo en biología, química y física, y a los propios tiburones.
“La biomimética es una forma poderosa de descubrir nuevos diseños”, dijo Keller. “Nunca hubiéramos pensado en estructuras nosotros mismos”.
La investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias, la Fundación de Investigación de Washington y la Fundación Fulbright.
