サメの腸からインスピレーションを得て 3D プリントされたこれらのパイプは、テスラのバルブを上回る性能を発揮します

ワシントン大学の科学者らは、らせん内部の独特な流体の流れを研究するために、サメの腸の特徴的ならせん形状を3Dプリントしたパイプで再現した。米国議会議事録に掲載された新しい論文によると、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を好ましい一方向に流し続け、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」よりも大幅に優れた性能を発揮したという。科学アカデミー。

以前に報告したように、1920 年にセルビア生まれの発明家ニコラ テスラは、彼が「弁導管」と呼ぶものを設計し、特許を取得しました。これは、可動部品を必要とせずに流体が確実に 1 つの方向に流れるように内部設計されたパイプです。マイクロ流体応用などの用途に最適です。テスラの独創的なバルブ設計の鍵は、相互接続された非対称の涙型のループのセットです。

テスラは特許出願の中で、この一連の 11 個の流量制御セグメントは「拡大部、凹部、突起部、バッフル、またはバケットで構成されているが、一方向の流体の通過には表面摩擦以外の抵抗を実質的に与えない」と説明しています。 、反対方向の流れに対してほぼ通過できない障壁を構成します。」また、テスラ バルブは可動部品を使用せずにこれを実現するため、頻繁な操作による磨耗に対する耐性がはるかに高くなります。

テスラは、水がバルブを通過すると、一方向に他の方向よりも 200 倍の速度で流れると主張しましたが、これは誇張された可能性があります。ニューヨーク大学の科学者チームは2021年に発明者の設計に従って実用的なテスラバルブを製作し、さまざまな圧力でバルブを通る両方向の水の流れを測定することでその主張を検証した。科学者らは、水の流れが非好ましい方向にのみ約2倍遅いことを発見した。

流量が重要な要素であることが判明しました。バルブは、遅い流量ではほとんど抵抗を示さなかったが、流量が一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、逆方向の乱流が発生し、それによってパイプが渦と破壊的な流れで「詰まる」ことになる。つまり、実際にはスイッチのように機能し、AC/DC コンバーターが交流を直流に変えるのと同じように、脈動の流れを滑らかにするのにも役立ちます。テスラの最大の名声が AC モーターと AC/DC コンバーターの両方を発明したことであることを考えると、それがバルブ設計におけるテスラの当初の意図だったかもしれません。

サメになると助かる

テスラ バルブは、多くの種のサメの消化器系を食物がどのように移動するかを示す有用なモデルも提供します。 2020年、日本の研究者らはキャットシャークの一種の組織切片の顕微鏡写真を三次元モデルに再構成し、巻物型の螺旋腸の解剖学的構造を垣間見ることができた。翌年、科学者たちはサメの腸のCTスキャンを行い、その腸が自然に発生したテスラ弁であると結論付けました。

そこで、カリフォルニア大学ポスドクのイド・レビン氏とその共著者らの研究が登場する。彼らは特に2021年の研究について疑問を抱いていた。 「フラップのないパイプ内の流れの非対称性には、非常に大きな技術的可能性があるが、そのメカニズムは不可解だった。サメの腸構造のどの部分が非対称性に寄与しており、どの部分が表面積を増やすだけであるかは明らかではなかった」とレビン氏は述べた。栄養摂取のために。」

レビンら。サメの腸を模倣した内部螺旋構造を持つ複数のパイプを 3D プリントし、螺旋の巻き数やピッチ角などの特定の幾何学的パラメータを変化させます。これは明らかに理想的な構造であったため、硬い材料で作られた最初のバッチが期待通りの流れの非対称性を生み出したとき、チームは大喜びしました。パラメータをさらに微調整した後、剛性プリントパイプはテスラバルブと同等かそれを超える流れの非対称性を生み出しました。

しかし、研究者たちはまだ終わっていませんでした。 「（以前の研究では）これらの腸を消化管と同じ方向に接続すると、逆に接続した場合よりも体液の流れが速くなることが示されました。私たちはこれが物理学の観点から非常に興味深いと考えました。」レビン氏は昨年、第67回生物物理学会年次総会で暫定的な結果を発表しながらこう述べた。 「物理学の定理の 1 つは、パイプを取り出し、その中を流体を非常にゆっくりと流すと、逆にしても同じ流れになるというものです。ですから、理論に反する実験を見て私たちは非常に驚きました。しかしその後、腸は鋼鉄でできているのではなく、柔らかいものでできているので、液体がパイプ内を流れると変形してしまうことを覚えているでしょう。」

それはレビンらに与えた。それは、3D プリンティングにも使用できる、市販されている中で最も柔らかい、変形可能な柔らかいポリマーでパイプを作ってみることです。このパイプのバッチは、テスラ バルブの以前の測定よりも、流れの非対称性に関して 7 倍優れた性能を示しました。また、実際のサメの腸は、使用したポリマーよりも約 100 倍柔らかいため、3D プリンティングが進化し続けてヒドロゲルがより広く入手可能になった場合、おそらくヒドロゲルを使用すれば、さらに優れた性能を達成できると研究チームは考えています。著者らによると、最大の課題は、大きな変形に耐えられる柔らかい素材を見つけることだという。

最後に、パイプは三次元であるため、より大きな流体量を収容でき、より大型の商用装置での用途が広がります。 「化学者たちはすでに、柔らかく、強度があり、印刷可能であるポリマーを開発する意欲を持っていました」と、新しいタイプのポリマーの開発を専門とする共著者のアルシャキム・ネルソン氏は述べた。 「これらのポリマーを工学から医学に至るまでの用途で流れを制御するために使用できる可能性があると、その動機が強化されます。」

PNAS、2024。DOI: 10.1073/pnas.2406481121 (DOI について)。