Glassvampe afslører vigtige egenskaber for design af skibe, skyskrabere og fremtidens fly

De bemærkelsesværdige strukturelle egenskaber af Venus blomsterkurvsvampen (E. aspergillum) kan virke favne fjernet fra menneskeskabte strukturer. Imidlertid, indsigt i, hvordan organismens gitterværk af huller og kamme påvirker havvandets hydrodynamik i dens nærhed kan føre til avancerede konstruktioner af bygninger, broer, marinekøretøjer og fly, og alt, hvad der skal reagere sikkert på kræfter påført af luft- eller vandstrømmen.

Mens tidligere forskning har undersøgt svampens struktur, der har været få undersøgelser af de hydrodynamiske felter, der omgiver og penetrerer organismen, og om, udover at forbedre sine mekaniske egenskaber, skeletmotiverne af E. Aspergillum ligger til grund for optimeringen af ​​flowfysikken i og uden for dets kropshulrum.

Et samarbejde på tværs af tre kontinenter ved fysikkens grænser, biologi, og teknik ledet af Giacomo Falcucci (fra Tor Vergata University of Rome og Harvard University), i samarbejde med Sauro Succi (Italiensk Institut for Teknologi) og Maurizio Porfiri (Tandon School of Engineering, New York University) anvendte superberegningsmuskler og særlig software for at få en dybere forståelse af disse interaktioner, skabe en første nogensinde simulering af dybhavssvampen, og hvordan den reagerer på og påvirker strømmen af ​​nærliggende vand.

Arbejdet, "Ekstreme flow-simuleringer afslører skelettilpasninger af dybhavssvampe, "offentliggjort i tidsskriftet Natur , afslørede en dyb forbindelse mellem svampens struktur og funktion, kaste lys over både kurvsvampens evne til at modstå de dynamiske kræfter fra det omgivende hav og dens evne til at skabe en næringsrig hvirvel i kropshulrummets "kurv".

"Denne organisme er blevet undersøgt meget fra et mekanisk synspunkt på grund af sin fantastiske evne til at deformere væsentligt på trods af sin sprøde, glasinstruktur, " sagde førsteforfatter Giacomo Falcucci fra Tor Vergata Universitet i Rom og Harvard Universitet. "Vi var i stand til at undersøge aspekter af hydrodynamik for at forstå, hvordan svampens geometri tilbyder en funktionel reaktion på væske, at producere noget særligt med hensyn til interaktion med vand. "

"Ved at undersøge væskestrømmen inden for og uden for svampens kropshulrum, vi afdækkede fodsporene fra en forventet tilpasning til miljøet. Svampens struktur bidrager ikke kun til et reduceret træk, men det letter også oprettelsen på hvirvler med lav hastighed i kropshulen, der bruges til fodring og reproduktion "tilføjede Porfiri, medforfatter til undersøgelsen.

Strukturen af ​​E. Aspergillum, gengivet af medforfatter Pierluigi Fanelli, fra universitetet i Tuscia, Italien, ligner en sart glasvase i form af en tyndvægget, cylindrisk rør med et stort centralt atrium, kiselholdige krydderier - dermed deres almindeligt anvendte betegnelse, "glas svampe." Spikulerne er sammensat af tre vinkelrette stråler, giver dem seks point. De mikroskopiske spikler "væves" sammen for at danne et meget fint net, som giver svampens krop en stivhed, der ikke findes hos andre svampearter, og gør det muligt for den at overleve på store dybder i vandsøjlen.

For at forstå, hvordan Venus blomsterkurvsvampe gør dette, teamet gjorde omfattende brug af Marconi100-computeren i exascale-klasse i CINECAs højtydende computercenter i Italien, som er i stand til at skabe omfattende simuleringer ved hjælp af milliarder af dynamiske, temporospatiale datapunkter i tre dimensioner.

Forskerne udnyttede også særlig software udviklet af studieforfatteren Giorgio Amati, af SCAI (Super Computing Applications and Innovation) ved CINECA, Italien. Softwaren muliggjorde superberegningssimuleringer baseret på Lattice Boltzmann -metoder, en klasse af beregningsmæssige væskedynamikmetoder til komplekse systemer, der repræsenterer væske som en samling af partikler og sporer hver af dems opførsel.

In-silico-eksperimenterne, med cirka 100 milliarder virtuelle partikler, gengav de hydrodynamiske forhold på dybhavsbunden, hvor E. Aspergillum lever. Resultater behandlet af Vesselin K. Krastev ved Tor Vergata University i Rom tillod teamet at undersøge, hvordan organiseringen af ​​huller og kamme i svampen forbedrer dets evne til at reducere de kræfter, der påføres ved at flytte havvand (et maskinteknisk spørgsmål formuleret af Falcucci og Succi) , og hvordan dens struktur påvirker dynamikken i flowet i svampens kropshulrum for at optimere selektiv filterfodring og gametermøde til seksuel reproduktion (et biologisk spørgsmål formuleret af Porfiri og en biologekspert i økologiske tilpasninger i vandlevende væsner, medforfatter Giovanni Polverino fra Center for Evolutionary Biology ved University of Western Australia, Perth).

"Dette arbejde er en eksemplarisk anvendelse af diskret væskedynamik generelt og Lattice Boltzmann-metoden, i særdeleshed, "sagde medforfatter Sauro Succi fra Italian Institute of Technology og Harvard University. Sauro Succi er internationalt anerkendt som en af ​​fædrene til Gitter Boltzmann-metoden." Metodens nøjagtighed, kombineret med adgang til en af ​​de bedste supercomputere i verden gjorde det muligt for os at udføre beregningsniveauer, der aldrig var forsøgt før, som kaster lys over væskestrømmenes rolle i tilpasningen af ​​levende organismer i afgrunden."

"Vores undersøgelse af svampgeometriens rolle på dens reaktion på væskestrømmen, har mange konsekvenser for design af højhuse eller, virkelig, enhver mekanisk struktur, fra skyskrabere til nye strukturer med lavt træk til skibe, eller flykroppe, " sagde Falcucci. "F.eks. vil der være mindre aerodynamisk træk på højhuse bygget med et lignende gitterværk af kamme og huller? Vil det optimere fordelingen af ​​kræfter? At løse netop disse spørgsmål er et nøglemål for holdet."