Remora-inspireret sugeskive efterligner fiskens vedhæftningsevne, giver evolutionær indsigt

Remora -fisk er berømte blaffere i havverdenen, besidder kraftige sugediske på bagsiden af ​​hovedet til at fastgøre sig på torpedo-lignende måde til større værter, der kan give mad og sikkerhed-fra hvaler og hajer til både og dykkere.

Nøglen til remoras vedhæftning er diskens velkendte evner til generering af sugning, samt friktion skabt af stikkende knogler i disken kaldet lameller for at bevare holdet på sin vært. Imidlertid, de faktorer, der driver udviklingen af ​​remoras unikke diskmorfologi, har længe unddraget sig forskere, der søger at forstå, og endda konstruere nye enheder og klæbemidler, der efterligner, fiskens uhyggelige evne til at låse fast på forskellige overfladetyper uden at skade deres vært eller bruge meget energi, ofte i timevis ad gangen under ekstreme oceaniske kræfter.

I en undersøgelse ledet ved New Jersey Institute of Technology (NJIT), forskere har fremvist en ny biologisk inspireret remoraskive, der er i stand til at replikere de passive sug- og friktionskræfter, der driver fiskens evne, demonstrerer op til 60% større hold, end der er målt for levende remoras fastgjort til hajskind.

Ved hjælp af diskmodellen til at udforske evolutionære drivere til remoras disk, forskere siger, at undersøgelsens fund viser, at nutidens levende arter af remora har udviklet et større antal lameller over tid for at forbedre deres holdkraft og evne til at knytte sig til et bredere udvalg af værter med glattere overflader, og derved øge deres chance for overlevelse.

Studiet, fremhævet i Bioinspiration og biomimetik , angiver, at diskmodellen kan bruges til at informere designet om mere effektiv, billigere klæbende teknologier i fremtiden.

"Skønheden bag remoras klæbemekanisme er, at biologiske væv i sagens natur udfører det meste af arbejdet, "sagde Brooke Flammang, professor i biologiske videnskaber ved NJIT, der ledede undersøgelsen. "Det mest betydningsfulde aspekt af denne forskning er, at vores robotskive fuldstændig er afhængig af den grundlæggende fysik, der driver klæbemekanismen i remoras, giver os mulighed for at bestemme biologisk relevant ydeevne og få indsigt i udviklingen af ​​remoras disk. Dette var tidligere ikke muligt med tidligere designs, der krævede, at en menneskelig operatør kontrollerede systemet. "

Afviger fra mange af deres nærmeste fængsellignende forfædre, såsom cobia (Rachycentron canadum), remorafisken (fra familien Echeneidae) menes først at have begyndt at fæstne sig til værter med ru overflader, beslægtet med hajer, efter at have udviklet sin sugeskive fra rygfinnenes rygsøjler for næsten 32 millioner år siden. Disken med levende remoras i dag har nu en kødfuld-blød ydre læbe til sugning, mens diskens indre huser mange flere lineære vævsrækker (lameller) med tandlignende vævsfremspring (spinuler), som fisken rejser for at generere friktion mod forskellige værtslegemer for at forhindre glidning under blaffning.

Ifølge Flammang, mens forskere har belyst oprindelsen til remoras modificerede finnestruktur, grundlæggende aspekter af diskens udvikling er stort set uklare.

"Udviklingen af ​​remoras disk er stort set ukendt, "sagde Flammang." Der er en fossil remora, Opisthomyzon, i den fossile rekord, der har en skive med færre lameller [end nutidens remoras] uden spinler mod baghovedet. "

Flammang siger, at dette rejser to spørgsmål:"hvordan" og "hvorfor."

"Hvordan" er fra rygfinnen, selvom de mellemliggende evolutionære faser ikke er kendt, "forklarede Flammang." Hvis man ser på en fylogeni af remoras, viser det, at de arter, der menes at være mere afledte, har flere lameller ... hvorfor man har antaget at være for klæbende ydeevne, men det blev aldrig testet før dette papir. "

For at lære mere, Kaelyn Gamel, undersøgelsens første forfatter og tidligere kandidatforsker i Flammang -laboratoriet, designet en remora-inspireret disk fra kommercielt tilgængelige 3D-trykte materialer, der autonomt kunne opretholde vedhæftning til forskellige overflader og modificeres ved at tilføje og fjerne lameller, gør det muligt for teamet at undersøge ydelsen af ​​et øget lamelleantal ved forskydningsadhæsion.

"Vores diskes evne til at tilføje og fjerne lameller, mens de fungerer som et passivt system, tillod os at ændre mængden af ​​friktion sammen med det omgivende tryk i disken, sagde Gamel, nu ph.d. forsker ved University of Akron. "Vi var i stand til at sammenligne forskellen mellem ingen friktion, en vis friktion og en masse friktion baseret på variationen i lamelleantal. "

I samarbejde med Austin Garner, en forsker ved University of Akron, holdet gennemførte pull-off tests med deres modelskive under vandet, eksperimentere med modellens lamellnummer (op til 12 lameller) for at måle forskydningskraften og den tid, det tog at trække skiven fra siliciumforme med overflader, der spænder fra helt glatte til dem, der overstiger hajhudens ruhed (350 grus, 180-grit og 100-grit).

Samlet set, teamet fandt ud af, at disks klæbeevne var stærkt korreleret med en stigning i diskens lameller, observere et "sødt sted" i sugeeffekt mellem ni og 12 lameller. Når det ændres til 12 lameller og 294 spinler, holdets skive vejede kun 45 gram og modstod 27 N (newton) kræfter i 50 sekunder - næsten tre gange den kraft, der typisk ville trække en remora fra en haj. Testene afslørede også, at mindst seks lameller-antallet tilfældigt fundet på den 32 millioner år gamle fossil Opisthomyzon-var nødvendige for at opretholde vedhæftning.

"Det mest markante ved disse resultater er, at for en given diskform, der er et optimalt område, hvor friktions- og sugefænomenerne er afbalanceret, og [efterhånden som deres diskstørrelse er blevet længere] har remoras udviklet sig for at opretholde denne søde plet med højtydende vedhæftning, "forklarede Flammang.

Teamet siger nu, at deres remora -diskmodel vil blive brugt til fremtidige evolutionære undersøgelser for at lære, om sugning eller friktion dominerede vedhæftning hos de tidligste remora -forfædre, og hvordan evolution af skiveform påvirker vedhæftning. Disken kan også have ingeniørmæssige anvendelser i alt fra medicinske biosensorer og udstyr til levering af lægemidler til geosensingskoder til økologiske undersøgelser og sporing af marine liv. "En af de største fordele ved vores design er, at den fungerer autonomt, fordi den kun er afhængig af fysikken af systemet til drift, "sagde Flammang." Dette gør det let skalerbart for et væld af nye teknologier, både til medicinske og videnskabelige formål. "