Ingeniører beskriver fuglefjeregenskaber, der kan føre til bedre klæbemidler, rumfartsmaterialer

Du har måske set et barn lege med en fjer, eller du har måske selv leget med en:At køre en hånd langs en fjers modhager og se på, hvordan fjeren åbnes og lynes, tilsyneladende mirakuløst trække sig sammen igen.

Den "magiske" lynlåsmekanisme kunne udgøre en model for nye klæbemidler og nye rumfartsmaterialer, ifølge ingeniører ved University of California San Diego. De detaljerer deres resultater i 16. januar-udgaven af Videnskabens fremskridt i et papir med titlen "Skalering af fuglevinger og fjer til effektiv flyvning."

Forsker Tarah Sullivan, der opnåede en ph.d. i materialevidenskab fra Jacobs School of Engineering ved UC San Diego, er den første i omkring to årtier til at tage et detaljeret kig på den generelle struktur af fuglefjer (uden at fokusere på en bestemt art). Hun 3-D-printede strukturer, der efterligner fjervingerne, modhager og modhager for bedre at forstå deres egenskaber - f.eks. hvordan undersiden af ​​en fjer kan fange luft til løft, mens toppen af ​​fjeren kan blokere luften ude, når tyngdekraften skal tage over.

Sullivan fandt ud af, at barbuler - jo mindre, kroglignende strukturer, der forbinder fjermodhager - er placeret inden for 8 til 16 mikrometer fra hinanden i alle fugle, fra kolibrien til kondoren. Dette tyder på, at afstanden er en vigtig egenskab for flyvning.

"Første gang jeg så fjerstænger under mikroskopet, var jeg beæret over deres design:indviklet, smuk og funktionel, " sagde hun. "Da vi studerede fjer på tværs af mange arter, var det forbløffende at finde ud af, at på trods af de enorme forskelle i størrelse af fugle, barbuler afstanden var konstant."

Sullivan mener, at undersøgelse af vinge-modhag-barbule-strukturen yderligere kan føre til udvikling af nye materialer til rumfartsapplikationer, og til nye klæbemidler - tænk på velcro og dens modhager. Hun byggede prototyper for at bevise sin pointe, som hun vil diskutere i et opfølgende papir. "Vi mener, at disse strukturer kunne tjene som inspiration til et sammenlåsende en-retningslim eller et materiale med retningsbestemt permeabilitet, " hun sagde.

Sullivan, som er en del af Marc Meyers forskningsgruppe, en professor i afdelingerne for nanoteknik og mekanisk og rumfartsteknik ved UC San Diego, studerede også knoglerne fundet i fuglevinger. Ligesom mange af hendes forgængere, hun fandt ud af, at humerus - den lange knogle i vingen - er større end forventet. Men hun gik et skridt videre:ved at bruge mekaniske ligninger, hun var i stand til at vise, hvorfor det er det. Hun fandt ud af, at fordi fuglens knoglestyrke er begrænset, den kan ikke skalere op proportionalt med fuglens vægt. I stedet skal den vokse hurtigere og være større for at være stærk nok til at modstå de kræfter, den udsættes for under flugten. T

hans er kendt som allometri - væksten af ​​visse dele af kroppen med andre hastigheder end kroppen som helhed. Den menneskelige hjerne er allometrisk:hos børn, det vokser meget hurtigere end resten af ​​kroppen. Derimod menneskets hjerte vokser proportionalt med resten af ​​kroppen – dette kalder forskerne isometri.

"Professor Eduard Arzt, vores medforfatter fra Saarland University i Tyskland, er amatørpilot og blev fascineret af 'fuglevinge'-problemet. Sammen, vi begyndte at lave allometriske analyser på dem, og resultatet er fascinerende, " sagde Meyers. "Dette viser, at synergien mellem forskere med forskellige baggrunde kan skabe vidunderlig ny forståelse."