Ingeniører forudsiger, hvordan flydende væske vil bøje små hår, der beklæder blodkar og tarme

Vores kroppe er indvendigt foret med bløde, mikroskopiske tæpper af hår, fra de græsklædte extensions på vores smagsløg, til uklare senge af mikrovilli i vores maver, til superfine proteinstrenge i hele vores blodkar. Disse behårede fremspring, forankret til bløde overflader, bøj og vrid med strømmene fra de væsker, de er nedsænket i.

Nu har ingeniører ved MIT fundet en måde at forudsige, hvordan så lille, bløde senge af hår vil bøje sig som reaktion på væskestrømmen. Gennem eksperimenter og matematisk modellering, de fandt det, ikke overraskende, stive hår har tendens til at forblive oprejst i en væskestrøm, mens mere elastisk, hængende hår giver let efter for en strøm.

Der er, imidlertid, et sødt sted, hvor hår, bøjet i den helt rigtige vinkel, med en elasticitet, der hverken er for blød eller stiv, kan påvirke væsken, der strømmer gennem dem. Forskerne fandt ud af, at sådanne vinklede hår glattes, når væske strømmer mod dem. I denne konfiguration, hårene kan bremse en væskestrøm, som en midlertidigt hævet rist.

Resultaterne, offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Naturfysik , kan hjælpe med at belyse rollen som behårede overflader i kroppen. For eksempel, forskerne hævder, at vinklede hår i blodkar og tarme kan bøje sig for at beskytte omgivende væv mod overskydende væskestrømme.

Resultaterne kan også hjælpe ingeniører med at designe nye mikrofluidiske enheder såsom hydrauliske ventiler og dioder - små chips, der leder væskestrømmen gennem forskellige kanaler, via mønstre af små, vinklede hår.

"I meget lille skala, det er meget svært at designe ting med funktioner, som du kan skifte, " siger Anette (Peko) Hosoi, professor og associeret afdelingsleder for driften i MIT's afdeling for maskinteknik. "Disse vinklede hår kan bruges til at lave en flydende diode, der skifter fra høj modstand til lav, når væsken flyder i én retning mod en anden."

Hosoi er medforfatter på papiret, sammen med hovedforfatter og MIT postdoc José Alvarado, tidligere kandidatstuderende Jean Comtet, og Emmanuel de Langre, en professor ved Institut for Mekanik ved École Polytechnique.

Fra kattepels til hårbørster

"Der er blevet udført meget arbejde i stor skala, studere væsker som vind, der flyder forbi en mark med græs eller hvede, og hvordan bøjning eller ændring af et objekts form påvirker impedansen, eller væskestrøm, " Alvarado siger. "Men der har været meget lidt arbejde i små skalaer, der kan anvendes til biologiske hår."

For at undersøge opførselen af ​​meget små hår som reaktion på flydende væske, holdet fremstillede bløde hårsenge ved at laserskære små huller i plader af akryl, fyldte derefter hullerne med flydende polymer. Når først er størknet, forskerne fjernede polymerhårsengene fra akrylformene.

På denne måde holdet fremstillede flere senge af hår, hver på størrelse med en lille Post-it seddel. For hver seng, forskerne ændrede tætheden, vinkel, og hårenes elasticitet.

"De tætteste kan sammenlignes med korthåret kattepels, og de laveste er noget som metal hårbørster, " siger Alvarado.

Holdet studerede derefter, hvordan hår reagerede på flydende væske, ved at placere hvert leje i et rheometer - et instrument, der består af en cylinder i en anden. Forskere fylder typisk rummet mellem cylindre med en væske, drej derefter den indre cylinder og mål det drejningsmoment, der genereres, når væsken trækker den ydre cylinder med. Forskere kan derefter bruge dette målte drejningsmoment til at beregne væskens viskositet.

For deres eksperimenter, Alvarado og Hosoi forede rheometerets indre cylinder med hver hårseng og fyldte mellemrummet mellem cylindrene med en viskøs, honninglignende olie. Holdet målte derefter det genererede drejningsmoment, samt hvor hurtigt den indre cylinder snurrede. Ud fra disse målinger, holdet beregnede impedansen, eller modstand mod strømning, skabt af hårene.

"Det, der er overraskende, er, hvad der skete med vinklede hår, " siger Alvarado. "Vi så en forskel i impedans afhængigt af, om væsken strømmede med eller mod kornet. I bund og grund, hårene ændrede form, og ændre strømmen omkring dem."

"Interessant fysik"

For at studere dette nærmere, holdet, ledet af Comtet, udviklet en matematisk model til at karakterisere opførselen af ​​bløde hårsenge i nærværelse af en strømmende væske. Forskerne udarbejdede en formel, der tager højde for variabler som væskens hastighed og hårets dimensioner, at beregne omskaleret hastighed - en parameter, der beskriver hastigheden af ​​en væske versus elasticiteten af ​​en genstand i den væske.

De fandt ud af, at hvis den omskalerede hastighed er for lav, hår er relativt modstandsdygtige over for flydning og bøjer kun lidt som reaktion. Hvis den omskalerede hastighed er for høj, hår bøjes let eller deformeres i væskestrøm. Men lige midt imellem, som Alvarado siger, "interessant fysik begynder at ske."

I dette regime, et hår med en vis vinkel eller elasticitet udviser en "asymmetrisk trækrespons" og vil kun rette sig ud, hvis væsken flyder mod kornene, bremse væsken. En væske, der strømmer fra næsten enhver anden retning, vil efterlade de vinklede hår – og væskens hastighed – uforstyrrede.

Denne nye model, Alvarado siger, kan hjælpe ingeniører med at designe mikrofluidiske enheder, foret med skrå hår, som passivt leder væskestrømmen hen over en chip.

Hosoi siger, at mikrofluidiske enheder såsom hydrauliske dioder er en vigtig del af udviklingen af ​​komplekse hydrauliske systemer, der i sidste ende kan udføre rigtigt arbejde.

"Computere og mobiltelefoner blev gjort mulige på grund af opfindelsen af ​​billige, fast tilstand, småskala elektronik, Hosoi siger. "På hydrauliske systemer, vi har ikke set den slags revolution, fordi alle komponenterne er komplekse i sig selv. Hvis du kan lave små, billige væskepumper, dioder, ventiler, og modstande, så burde du være i stand til at frigøre den samme kompleksitet, som vi ser i elektroniske systemer, i hydrauliske systemer. Nu er den solid-state hydrauliske diode fundet ud af."