サメの内蔵に触発された3Dプリントパイプは、Teslaバルブよりも優れています。

ワシントン大学の科学者たちは、スパイラル内のユニークな流体の流れを研究するために、3Dプリントパイプにサメの組み込みのユニークなスパイラル形状を再現しました。彼らのプロトタイプは、流れを制御するためのフラップを必要とせずに流体の流れを1つの好ましい方向に維持し、特に軟質ポリマーで作られた場合、いわゆる「テスラバルブ」よりはるかに優れた性能を発揮しました。 新しい紙 国立科学院会報（Proceedings of the National Academy of Sciences）に掲載されました。

以前に報告したように、1920年にセルビア生まれの発明者は ニコラ・テスラ 彼が「と呼ぶものをデザインし、特許を受けた。弁幕管：可動部品を必要とせずに流体が望む一方向に流れるように内部設計が保証されたパイプで、特に微小流体用途に最適です。

〜の中 彼の特許出願Teslaは、この一連の11個のフロー制御セグメントが「拡大、後退、突出、バッフル、またはバケットで構成されており、表面の摩擦に加えて、一方向の流体通過にほとんど抵抗を提供せず、ほぼ反対方向への流れを防ぐ通過できない障壁です。」そして可動部品なしでこれを達成するので、Teslaバルブは頻繁な操作による摩耗に対してはるかに強いです。

Teslaは、水が自分のバルブを通って他の方向よりも200倍遅く流れると主張しましたが、これは誇張されている可能性があります。ニューヨーク大学の科学者チーム 2021年に作動するTeslaバルブを作成しました。発明者の設計に応じて、様々な圧力で両方向に弁を通る水の流れを測定することによって、対応する主張を試験した。科学者たちは、水が望ましくない方向にのみ約2倍遅く流れることを発見しました。

流量 決定的な要因であることが確認された。。バルブは遅い流量では抵抗がほとんどありませんでしたが、その流量が特定のしきい値を超えて増加すると、バルブの抵抗も増加し、逆方向に乱流が発生し、渦と破壊電流でパイプを「遮断」します。これは実際にはスイッチのように機能し、AC / DCコンバータが交流を直流にする方法と同様にパルスフローを円滑にするのに役立ちます。彼の評判に対する最大の主張がACモーターとAC / DCコンバーターの両方を発明したことを考えると、Teslaはバルブを設計するという本来の意図だったかもしれません。

サメになるのに役立ちます

Teslaバルブはまた、多くのサメ種の消化器系を介して食品がどのように移動するかについての有用なモデルを提供します。 2020年には、日本の研究者 組織学的断面の再構成された顕微鏡写真 ネコザメの種を3次元モデルに変換することで、巻物状の螺旋状の内臓の解剖学的構造を垣間見ることができます。翌年、科学者たちはサメ内臓のCTスキャンを撮影しました。 そして結論を​​下した 腸が自然に発生すること テスラバルブ。

UW博士後研究者Ido Levinと彼の共著者の仕事はここにあります。彼らは特に2021年の研究について質問がありました。 「動くフラップのないパイプの流れの非対称性は、膨大な技術的可能性を持っていますが、メカニズムは謎でした」。 レビンは言った。。 「サメの腸構造のどの部分が非対称性に貢献したのか、そして栄養分を吸収するための表面積を増やすのに役立ったのかは不明です。」

Levinet al。サメの埋め込みを模した内部スパイラル構造を持つ複数のパイプを3D印刷して、回転数やスパイラルピッチ角度などの特定の幾何学的パラメータを変更しました。それは確かに理想的な構造だったので、頑丈な材料で作られた最初のバッチが望む流れの非対称性を生み出したとき、チームはとても嬉しかったです。パラメータをさらに微調整した後、剛性印刷パイプはTeslaバルブと一致または超過するフロー非対称性を生成しました。

しかし、研究者はまだ終わっていません。 」[Prior work] これらの腸を消化管と同じ方向に接続すると、反対方向に接続するよりも体液の流れが速くなることがわかりました。我々はこれが物理学的観点から非常に興味深いと思った」 レビンは言った。 昨年、予備結果を発表して 第67回生物物理学会年次会議。 「物理学の整理の1つは、実際にパイプを使って非常にゆっくりと流体を流し、これを逆にしても同じ流れが発生するということです。だから私たちは理論と矛盾する実験を見て非常に驚きました。として作られたので、液体がパイプを通って流れる間に変形することを覚えていますか？」

これはLevin et al。 3Dプリントにも使える最も柔らかい商用ポリマーでパイプを作ろうというアイデアでした。これらのパイプの配置は、Teslaバルブの以前の測定よりも流れの非対称性の面で7倍優れています。そして、実際のサメの組み込みは彼らが使用したポリマーより約100倍柔らかいので、チームは3Dプリントが進化し続けるにつれて、ハイドロゲルがより広く普及すれば、おそらくより良い性能を達成できると思います。著者によると、最大の課題は、高い変形に耐えることができる柔らかい材料を見つけることです。

最後に、パイプは三次元であるため、より大きな流体容量を収容することができ、より大きな商用機器に適用できます。 「化学者はすでに柔らかく、強く、印刷可能なポリマーを開発する動機を与えられています」 共著者であるAlshakim Nelsonはこう述べています。彼の専門知識は新しいタイプのポリマー開発にあります。 「工学から医学に至るアプリケーションの流れを制御するためにこれらのポリマーを潜在的に使用できることは、そのような動機を強化する」。

PNAS, 2024. DOI: 10.1073/pnas.2406481121 （DOI情報）。