Punkteringsmekanikken blev endelig forklaret

Følelsen af ​​en nålegennemborende hud er velkendt for de fleste, især for nylig, da COVID-19-vaccinationer tager fart. Men hvad sker der præcist, når en nål punkterer huden? Svaret afsløres i et nyt papir offentliggjort for nylig i Journal of the Mechanics and Physics of Solids.

Mattia Bacca, assisterende professor ved University of British Columbia, ser ofte til den naturlige verden for at få svar, når han står over for et maskinteknisk problem - som den måde en gekko kan klamre sig til en overflade med puderne på tæerne, eller en myre kan skære gennem et blad mange gange dets størrelse.

Bioinspireret teknik hjalp Dr. Bacca, sammen med ph.d. kandidat Stefano Fregonese, at besvare det tidligere uløste spørgsmål om, hvordan piercingens mekanik virker på bløde materialer, som hud.

"Skæring er allestedsnærværende i vores overlevelse og daglige liv, " forklarer Bacca. "Når vi tygger mad, vi skærer væv for at gøre det fordøjeligt. Næsten alle arter i dyreriget udviklede sig med evnen til at skære væv til at fodre og forsvare, har derfor erhvervet bemærkelsesværdige morfologiske og fysiske egenskaber for at tillade denne proces effektivt."

De skabte en mekanisk teori til at bestemme den kritiske kraft, der kræves for nåleindsættelse - det centrale fænomen punktering. Deres arbejde giver en enkel, semi-analytisk model til at beskrive processen, fra dimensionelle argumenter til finite element analyse.

Mekanismer involveret i skæring af blødt væv har kun fået opmærksomhed inden for teknik i løbet af de sidste årtier, i første omgang med undersøgelser af gummis egenskaber. Tidligere tilgange bestemte den kraft, der var nødvendig for at indsætte en nål i væv efter dens første punktering, ved hjælp af fysiske eksperimenter, der ikke fuldt ud kunne måle deformationerne og komplekse fejlmekanismer involveret i at bryde gennem overfladen af ​​et blødt materiale.

I modsætning, den nye model skabt af Fregonese og Bacca kan endelig forudsige punkteringskraften og validere denne med tidligere eksperimenter. De opdagede, at nåleindføringskraften er proportional med vævets sejhed og skalerer omvendt med nålens radius - hvilket betyder, at tyndere nåle kræver mindre kraft. Selvom begge disse observationer er intuitive, de leverede kvantitative forudsigelser. Hvad er kontraintuitivt, imidlertid, er materialets stivhed rolle i denne proces. Vævsstivhed skalerer omvendt med punkteringskraft, med blødere væv, der kræver større kraft (med samme sejhed). UBC-teamet udfører i øjeblikket yderligere eksperimenter og modelforfinelser for at komme "dybere" ind i fysikken i dette problem.

Indtil nu, deres resultater kommer fra forskellige forespørgsler om dyreløsninger. I første omgang, Fregonese sluttede sig til Dr. Bacca's Micro &Nano Mechanics Lab for et projekt relateret til mekanikken for adhæsion hos dyr som gekkoer. Udforske overlapninger med dette område og problemet med at skære, de begyndte at undersøge det grundlæggende i skæring og forbindelsen til den morfologiske udvikling af dyr, med et internationalt samarbejde> studerer bladskærermyrer med dyrebiomekanikekspert Dr. David Labonte (Imperial College), og muskelfysiologi ekspert Dr. Natalie Holt (University of California). De samarbejdede også med UBC Okanagans Dr. Kevin Golovin og maskiningeniørkollega Dr. Gwynn Elfring for at forske i samspillet mellem ballistik og geler.

Deres nye teoretiske model kan hjælpe ingeniører med at udvikle forskellige applikationer såsom beskyttelsesudstyr, automatiseringsprocesser, der involverer fødevarer og den nye teknologi inden for robotkirurgi.

Det kan også påvirke, hvordan folk oplever injektioner i fremtiden, noget, der er top i sindet for folk, der for nylig har stået i kø for at modtage deres COVID-19-vaccination. For eksempel, fremtidig teknologi kunne give muligheder som selvadministrerede engangspuder bevæbnet med mikronåle – som dem designet af UBC's Dr. Boris Stoeber – designet til at gennembore huden i den rigtige dybde og med den rigtige kraft.