不同种类的鲨鱼的肠道具有不同的螺旋模式，有利于液体向一个方向流动。伊多·莱文(Ido Levin)和同事们正在用3D打印机重现这些形状，以研究螺旋内部独特的流体流动。图片来源:Ido Levin提供
鲨鱼的肠道有一种独特的螺旋形状，有利于液体朝一个方向流动。通过学习关于这一现象的工作原理，物理学家希望将这些原理应用于机器人和其他应用。
1920年，发明家尼古拉·特斯拉为一种他称之为“瓣膜导管”的管道申请了专利。它可以在没有任何移动部件或增加能量的情况下单向吸取液体，应用范围从软机器人到医疗植入物。2021年，科学家发现鲨鱼的螺旋形肠道的工作原理与此大致相同，有利于液体从头部流向骨盆。
伊多·莱文是华盛顿大学萨拉·凯勒实验室的物理学家，他对流体在这些鲨鱼螺旋中的物理流动产生了兴趣。2月20日，周一，在加州圣地亚哥举行的第67届生物物理学会年会上，他将介绍鲨鱼肠道的3D打印模型是如何帮助他们了解这些螺旋是如何工作的。
莱文解释说:“2021年这项研究的研究人员将一根管子连接到鲨鱼的肠道上，并将含有甘油的水(一种非常粘稠的液体)通过这些管子。他们表明，如果你把这些肠和消化道连接在同一个方向，你得到的液体流动速度比你把它们连接在相反的方向更快。我们认为这从物理学的角度来看非常有趣……物理学中的一个定理实际上是这样说的，如果你拿一个管道，让流体非常缓慢地流过它，如果你反转它，你会得到相同的流量。所以我们很惊讶地发现实验结果与理论相悖。但你要记住，肠子不是用钢做的，而是用软的东西做的，所以当液体流过管道时，它会变形。”
为了通过螺旋管研究流体动力学，莱文和凯勒与华盛顿大学纳尔逊小组的同事合作，创造了模仿鲨鱼肠道的柔软3D结构。莱文说:“15或20年前，试图用人造材料重建这些形状是不可能的。”当他们使用刚性材料3D打印形状时，流体在一个方向或另一个方向上的流动没有差异。然而，使用更柔软的弹性体打印形状会使流体在一个方向上流动得更快。利用这些3d打印结构，该团队正在研究内部结构的半径、间距和厚度如何影响流体流动。使用更软的材料，他们还可以研究流量与管道变形之间的耦合。了解这些参数将有助于设计类似的结构，这些结构可用于软机器人等领域。
直到最近，机器人都是用刚性材料和铰链制成的。但是，使用像章鱼一样可以以不同方式变形的软材料，开辟了一个充满可能性的世界，莱文解释说，“这是在试图理解膜和流动之间相互作用的基本机制方面向前迈出的一步。”有一天，这个看似简单的系统可以控制工业或医疗设备。
