Вертикальные волокна в присоске рыбы-прилипалы помогают ей путешествовать «автостопом»
Рыба-прилипала, известный «автостопщик» морского мира, получает бесплатный проезд, цепляясь к хозяевам с помощью присасывающегося диска — видоизменённого спинного плавника на голове. Исследование этого диска, опубликованное 26 февраля в журнале Matter, показывает, что один из секретов мощного сцепления рыбы кроется в уникальной архитектуре края (губы) диска.
«Форма тела и плохие плавательные способности не дают рыбе-прилипале преимуществ в природе, — говорит старший соавтор Ли Вэнь из Пекинского университета аэронавтики и астронавтики. — Рыбе пришлось эволюционировать, превратив плавник в присоску для «автостопа» по двум причинам: пища и размножение».
Присасывающийся диск прилипалы настолько мощный, что рыба может удерживаться даже на выпрыгивающих из воды дельфинах. Чтобы понять механизм, исследователи изучили ткань мягкой губы диска. Между поверхностью и подкожным слоем они обнаружили уникальную структуру: вертикально ориентированные коллагеновые волокна. Эта волокнистая структура обеспечивает эластичность для максимального контакта с поверхностью и уменьшает деформацию губы, поддерживая силу сцепления. Это первая работа, раскрывающая детальную морфологическую структуру ткани губы диска у рыб-прилипал.
«Наше исследование началось с изучения кожной структуры акул, — говорит соавтор Хуань Гуань. — Нас поразило, что присоска прилипалы может прикрепляться к таким грубым поверхностям, как кожа акулы. Акулы плавают очень быстро, но прилипалы держатся за их кожу очень крепко».
Вдохновившись рыбой, исследователи создали биомиметический диск, армированный вертикальными нейлоновыми волокнами с помощью электрофлокирования — техники, использующей электрический заряд для выравнивания волокон. По сравнению с дисками из чистого силикона, биомиметические диски демонстрируют усиление адгезии на 62,5% и показывают увеличение времени сцепления в 3,4 раза. Более того, усиленная волокнами биомиметическая присоска может удерживаться на тяжёлых, неровных, шероховатых объектах и даже под водой.
«Есть некоторые ограничения в контроле плотности волокон, — отмечает Гуань. — Хотя нейлон и коллаген в чём-то схожи, мы не можем полностью воспроизвести их морфологию и химический состав. Но мы доказали простую концепцию: добавление вертикальных волокон в присоску значительно улучшает её функциональность. Мы делаем работу, которая может быть применена в реальной жизни».
Следующий шаг команды — улучшить текущую биомиметическую присоску, изучив и воспроизведя структуру поверхностной кожи и подкожного слоя. Другие улучшения включают внедрение экологически чистых и биоразлагаемых материалов, таких как шёлк. Разработка вертикальных волокон также может быть применена в мягкой робототехнике для достижения сложных движений путём контроля деформации.
«Здесь много потенциала для будущих применений, — говорит Вэнь. — Я инженер-механик, я создаю роботов. Если мы сможем сделать робота с присоской, такой же сильной, как у прилипалы, он сможет путешествовать по миру, прикрепившись к китам и акулам. Такое мобильное биомиметическое устройство сможет собирать важные биологические и экологические данные. Я надеюсь, что присасывающийся диск можно будет применять для защиты морской среды и он внесёт вклад в систему морского биомониторинга в будущем».