研究人員使用 3D 打印技術(shù)來制造“鯊魚腸“仿生螺旋管

作為奮戰(zhàn)在科技最前沿的有生力量,，實驗室和大學(xué)團(tuán)隊在增材制造領(lǐng)域開辟了越來越多有價值的發(fā)現(xiàn)，這是因為3D打印技術(shù)可以制造其他方法無法重現(xiàn)的單元和細(xì)節(jié),。例如,，回想一下最近的埃及木乃伊例子，由于采用了 3D 技術(shù),，因此能夠在不干擾原始制品的情況下對其進(jìn)行研究,。這之所以成為可能，主要是因為研究人員可以先對需要研究的部分進(jìn)行 3D 掃描,，然后再獲得該部分的數(shù)字孿生體,，然后通過 3D 打印進(jìn)行復(fù)制，再繼續(xù)進(jìn)行探索,。此外,，3D打印在仿生學(xué)研究上同樣展現(xiàn)出巨大的潛力。

2023年3月22日,，南極熊獲悉,，由美國物理學(xué)家 Ido Levin 領(lǐng)導(dǎo)的華盛頓大學(xué)研究團(tuán)隊已轉(zhuǎn)向 3D 技術(shù)來研究太平洋刺角鯊腸道的工作機(jī)理，以便在各種應(yīng)用中模仿它,，這種3D打印的螺旋管也被稱為“軟機(jī)器人”,，或仿生機(jī)器人。

這項研究以題為“Helical pipes may act ashydrodynamic “diodes”: Anomalous fluid flow inspired by shark intestines”的論文被發(fā)表在《Biophysical Journal》期刊上,，由Ido Levin,、Naroa Sadaba、AlshakimNelson,、Sarah L. Keller共同撰寫,。

相關(guān)論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.bpj.2022.11.1657

在此之前，我們對鯊魚吃什么或它們的腸道如何工作知之甚少,。在本項研究中,，代表著取得突破的第一批圖像是由加利福尼亞州立大學(xué)多明格斯希爾斯分校、華盛頓大學(xué)和加利福尼亞大學(xué)的研究人員組成的團(tuán)隊于 2021 年發(fā)布的,。研究人員使用 3D 掃描儀從保存在洛杉磯自然歷史博物館的標(biāo)本中掃描刺角鯊魚腸,，并創(chuàng)建可用于研究的 3D 圖像。

研究人員根據(jù)掃描結(jié)果得到了出人意料的結(jié)果,，他們發(fā)現(xiàn)鯊魚體內(nèi)的這些螺旋形器官會減慢食物的運動并將其向下引導(dǎo)通過腸道,，除了蠕動外還依賴重力，即腸道平滑肌的節(jié)律收縮,。腸道的功能與尼古拉·特斯拉 (Nikola Tesla) 于 1920 年獲得專利的閥門相同,。此外，最近的一項研究表明,，這些結(jié)構(gòu)還具有不對稱流動,，促進(jìn)沿消化道（從前到后）的流動,。華盛頓大學(xué)的團(tuán)隊希望利用這些特性來制造更好的螺旋管。

3D 打印創(chuàng)造這些鯊魚腸啟發(fā)的設(shè)備

這項研究在 2023 年 2 月取得了成果,，此前研究人員 3D 打印了鯊魚腸的復(fù)制品以研究其基礎(chǔ)物理學(xué),。由物理學(xué)家 Ido Levin 領(lǐng)導(dǎo)的華盛頓大學(xué)團(tuán)隊隨后 3D 打印了螺旋鯊魚腸的簡化仿生模型。通過測量各種流體在兩個方向上通過這些結(jié)構(gòu)的流量,，可以提取它們的流體動力學(xué)特性,。通過用較軟的材料打印結(jié)構(gòu)，研究人員研究了管道變形與流速之間的相互作用,。

△鯊魚腸,。圖片來源：Ido Levin/華盛頓大學(xué)

這些結(jié)果很重要，因為它們將能夠用于設(shè)計需要控制流體流動和泵送的結(jié)構(gòu),。這種控制流向的能力在從工業(yè)管道,、微流體設(shè)備、軟機(jī)器人到醫(yī)療植入物的工程應(yīng)用中具有巨大的潛力,。因此,，它可應(yīng)用到許多行業(yè)，包括食品,、醫(yī)療,、制藥和能源行業(yè),。