Hjælp Marvel superhelte med at trække vejret

Marvel-tegneserie-superhelte Ant-Man and the Wasp-nom de guerre-stjerner i den samme film fra 2018-besidder evnen til midlertidigt at skrumpe ned til størrelsen af ​​insekter, samtidig med at de bevarer massen og styrken af ​​deres normale menneskelige kroppe. Men en ny undersøgelse tyder på, at når bug-størrelse, Ant-Man and the Wasp ville stå over for alvorlige udfordringer, herunder iltmangel.

Disse udfordringer, sammen med deres løsningsmikrofluidiske teknologier, vil blive beskrevet af ingeniørmekanik kandidatstuderende Max Mikel-Stites fra Virginia Tech ved American Physical Society's Division of Fluid Dynamics 71st Annual Meeting, som finder sted 18.-20. november i Georgia World Congress Center i Atlanta, Georgien.

Mikel-Stites og hans rådgiver, Anne Staples, en lektor i afdelingen for biomedicinsk teknik og mekanik ved Virginia Tech, studerer normalt biologisk væskedynamik, med særligt fokus på respiration af insekter og væskestrømme fra insektskala. Staples 'laboratorium har udviklet mikrofluidiske enheder inspireret af insekt respiratoriske systemer, hvor strømningshastigheden og strømningsretningen gennem individuelle kanaler i enheden kan kontrolleres uden brug af ventiler.

Arbejdet, som vil blive drøftet i et særskilt oplæg på DFD -mødet, kunne reducere aktiveringsmaskineriet, der er nødvendigt for mikrofluidiske enheder, der bruges på mange forskellige videnskabelige områder, og gøre dem mere bærbare og omkostningseffektive. "At anvende dette perspektiv på Ant-Man and the Wasp virkede som en ligetil ting at gøre, sagde Mikel-Stites.

I deres analyse, forskerne fastslog, at atmosfærisk densitet - grundlæggende antallet af molekyler (sig f.eks. ilt) i en given luftmængde-oplevet af de bugstore helte er reduceret til et niveau, der er næsten identisk med niveauet for Mount Everests såkaldte "dødszone, "hvor der ikke er nok ilt til, at et menneske kan trække vejret." Mens den faktiske atmosfæriske tæthed er den samme for et insekt og et menneske, den subjektive atmosfæriske tæthed, der opleves af et menneske, der krymper til insektstørrelsesændringer, "Mikel-Stites forklaret." F.eks. en normal person, der tager en dyb indånding, kan forvente at indånde et antal iltmolekyler. Imidlertid, når personen er krympet til en myres størrelse, på trods af stadig brug for det samme antal iltmolekyler, langt færre er tilgængelige i et enkelt åndedrag.

"Dødszonen" begynder for et menneske i normal størrelse omkring 8, 000 meter over havets overflade. De skrumpede superhelte, forskerne beregnet, ville føle, at de var i 7 højder, 998 meter, og det ville udgøre et alvorligt - hvis ikke dødeligt - tilfælde af højdesyge.

"For en, der ikke er akklimatiseret, symptomer på højdesyge spænder fra hovedpine og svimmelhed til opbygning af væske i lungerne og hjernen, og muligvis døden. Dette sker delvist, fordi folk kan reagere ved at prøve at trække vejret hurtigere, at øge deres iltindtag, og fordi kroppen forsøger at fungere med mindre ilt, end den normalt gør, " han sagde.

Og det er ikke omfanget af Ant-Man's og hvepsens problemer, fandt teamet. Baseret på et forhold kendt som Kleibers lov, som korrelerer et dyrs metaboliske hastighed til dets størrelse forskerne fandt ud af, at metaboliske hastigheder pr. masseenhed af superhelte ved bugstørrelse ville stige med cirka to størrelsesordener - ligesom deres iltbehov.

Men alt er ikke tabt - takket være videnskaben. Ifølge Mikel-Stites, brug af mikrofluidiske komponenter såsom Knudsen -pumper (der drives af temperaturgradienter) og mikroskala gaskompressorer, kunne indlejres i hjelmene til Ant-Man og hvepsen for at hjælpe dem med at trække vejret i mikroskalaen.