Som et stykke pizza, en krumning kunne give fiskefinner deres styrke

Pizzaentusiaster ved godt, at en simpel u-formet krumning ved skorpen kan forhindre en tynd skive i at hænge ned, når den løftes fra en tallerken. Et team af ingeniører fra Brown University har vist, at fisk kan drage fordel af nogenlunde den samme dynamik til at stive deres finner til svømning.

Ved hjælp af en matematisk model og makrelpectoralfinnen som et illustrerende eksempel, forskerne viser, hvordan finnestivheden kan ændres ved at anvende en u-formet krumning ved finnens bund. Effekten, siger forskerne, kan ligge til grund for fiskens evne til at svømme med vidt forskellige hastigheder i alle former for strømme med stor manøvredygtighed.

"En måde at blive mere manøvredygtig på er ved at have evnen til at generere varierende mængder kraft på vandet, når man klapper en finne, " sagde Shreyas Mandre, en assisterende professor i Brown's School of Engineering og en medforfatter af forskningen. "Vi tror, ​​at fisk modulerer krumning i bunden af ​​finnen for at gøre den stivere eller blødere, som ændrer den kraft, de genererer på vandet, hvilket igen kan ligge til grund for noget af deres manøvredygtighed. "

Undersøgelsen blev udført i samarbejde med Khoi Nguyen og Madhusudhan Venkadesan fra Yale University, Ning Yu fra UCLA og Mahesh M. Bandi fra Okinawa Institute of Science and Technology. Det er beskrevet i Journal of the Royal Society Interface .

Den matematiske model, som Mandre og hans kolleger udviklede, gælder for en stor klasse af fisk kendt som Actinopterygii. Disse er fiskearter med fanlignende finner lavet af lange, bøjelige knogler, der holdes sammen af ​​et elastisk blødt væv.

Generelt sagt, siger forskerne, det er blevet antaget, at stiften af ​​disse finner beregnes af bøjningsstivheden for hver knogle ganget med antallet af knogler. Men det enkle billede ignorerer det mekaniske samspil mellem de bøjelige knogler og den elastiske hud, som kunne producere langt mere stivhed end den simple model ville foreslå. Det samspil viser sig også at være den mekanisme, hvorigennem fisk ændrer finnens stivhed via krumning ved bunden.

Forskerne kiggede på mikro-CT-scanninger af knoglemoduler i makrelfinner, som stort set er repræsentative for stråfinnede fisk. De viste, at knoglernes form får dem til lettere at bøje i bestemte retninger, og at hver knogles "foretrukne" bøjningsretning er lidt forkert justeret i forhold til tilstødende knogler. Ifølge deres matematiske tilstand, dette arrangement betyder, at når en kraft påføres hen over en finne, knoglerne bøjer kollektivt på en måde, der får dem til at sprænge fra hinanden. Imidlertid, at spredningsbevægelser modstås af det elastiske væv, der binder knoglerne sammen, og det er den modstand, der stiver hele finnen.

Den måde, hvorpå denne arkitektur overfører kræfter, svarer stort set til den måde, hvorpå kræfter overføres i et stykke pizza, der er buet ved skorpen og bliver mere stift i længden. Kun i dette tilfælde, krumningens effekt er "bagt ind" i finnen, hvilket betyder, at den har de mekaniske fordele ved en kurve, selv når den er flad. Anvendelse af en egentlig krumning i bunden af ​​finnen ville forstørre den stivende effekt.

"Så ved at justere krumning, fisk kunne hurtigt og dramatisk ændre, hvor hårdt de kunne presse på vandet, hvilket kunne gøre dem mere manøvredygtige," sagde Mandre.

Forskerne siger, at deres model antyder spændende muligheder for design af robotsvømmere.

"Disse resultater hjælper os med at forstå den funktionelle betydning af krumning i fiskefinner, "Sagde Mandre." På den måde, det giver en designprincip, vi potentielt kan bruge til at udvikle robotapparater til meget manøvredygtig vanddrift. "