Tại Sao Đuôi Của Cá Ngựa Hình Vuông Và Có Thể Là Nguồn Cảm Hứng Cho Các Thiết Bị Y Tế Và Robot

Tại sao đuôi cá ngựa có hình vuông? Một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế đã tìm thấy câu trả lời, và điều này có thể giúp ích cho việc tạo ra các robot và thiết bị y tế tốt hơn.

Các nhà nghiên cứu đã bị hấp dẫn bởi cấu tạo phần đuôi hình vuông, chồng chéo lên nhau của loài cá ngựa. Cấu trúc được cho là sẽ tạo ra một áo giáp tốt hơn là một cái đuôi hình trụ.

Các tấm xương vuông giúp đuôi cá ngựa trở nên cứng hơn, mạnh mẽ hơn và có khả năng biến dạng linh hoạt cùng một lúc. Thông thường, tăng cường bất kỳ một trong những đặc điểm nào cũng sẽ làm suy yếu những đặc điểm khác.

Các nhà khoa học phát hiện ra rằng các tấm xương vuông di chuyển với một mức độ tự do khi trượt lên. Ngược lại, các tấm xương tròn chỉ có 2 cấp độ tự do là trượt và xoay. Kết quả là, các tấm xương vuông có khả năng hấp thu nhiều năng lượng hơn.

Để chứng minh phát hiện của mình, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một loạt các kỹ thuật, bao gồm in 3D một mô hình đơn giản của đuôi cá ngựa. Sau đó họ uốn cong, xoắn, nén và nghiền nát nó. Họ cũng in 3D và tiến hành các thử nghiệm tương tự trên một mô hình xương đuôi được làm bằng các phân đoạn hình tròn chồng lên nhau do họ thiết kế và không được tìm thấy trong tự nhiên.

Nhà nghiên cứu Michael Porter cho biết các công nghệ mới, giống như in 3D, không chỉ cho phép các nhà khoa học bắt chước các thiết kế sinh học, mà còn xây dựng các thiết kế mô hình giả tưởng không tìm thấy trong tự nhiên. Các nhà nghiên cứu đã tìm nguồn cảm hứng mới cho các ứng dụng kỹ thuật mới và giải thích tại sao các hệ thống sinh học có thể tiến hóa.

Theo báo cáo nghiên cứu trên tại chí Science, Porter đang tham gia đã bắt đầu hợp tác với Dominique Adriaens, một giáo sư sinh vật học tiến hóa tại Đại học Ghent và giáo sư kỹ thuật và khoa học vật liệu tại UC San Diego – Joanna McKittrick, cùng mới Marc Meyers. Các nhà nghiên cứu đã quyết định sử dụng công nghệ và kỹ thuật để giải thích các tính năng sinh học, sau đó có thể xây dựng các thiết bị và cấu trúc mới dựa trên cảm hứng sinh học đó.

Nhóm nghiên cứu của Porter tại Clemson đang áp dụng phương pháp mới để phát triển các hệ thống robot, và các cấu trúc mới sao chép các hệ thống tự nhiên khác – cùng các hệ thống giả lập cho phép chuyển đổi nghiên cứu sang các lĩnh lực: từ sinh học, như là một nguồn cảm hứng cho kỹ thuật; và từ kỹ thuật, như là một công cụ thăm dò sinh học.

Khi các nhà nghiên cứu xoắn mô hình đuôi cá ngựa được in 3D, họ nhận ra rằng các khung xương này dính vào nhau, hạn chế phạm vi di chuyển của chúng khoảng một nửa - khi so sánh với model được làm bằng khung tròn.

Ngoài ra, sau khi chúng bị xoắn, các khung vuông trở lại hình dạng ban đầu nhanh hơn. Các nhà nghiên cứu cho rằng điều này sẽ giúp phần đuôi giảm được nguy hiểm. Ngược lại, một cái đuôi được làm bằng khung tròn xoắn dễ dàng hơn và cần nhiều năng lượng hơn để trở lại hình dạng ban đầu. Điều này cho thấy các đoạn vuông của đuôi tạo ra các điểm tiếp xúc nhiều hơn với bề mặt.

Bên cạnh đó, đuôi cá ngựa uốn cong theo cách cho phép chúng nắm bắt các đối tượng trong tầm nhắm của mình. Các nhà nghiên cứu cũng nén các mô hình được tạo ra từ các phân đoạn in 3D và so sánh phản ứng của các cấu trúc rắn với các mặt cắt hình tròn và hình vuông – nhưng không có phân đoạn. Họ thấy rằng một cái đuôi cá ngựa có các khớp xương tại các địa điểm chính xác, nơi các cấu trúc vững chắc thất bại khi bị nghiền nát. Điều này cho phép các cấu trúc hấp thụ nhiều năng lượng hơn.

Trong các bài kiểm tra nghiền, các mô hình vuông vượt trội hơn mô hình tròn. Điều này là do các phân đoạn vuông thất bại mà không thay đổi hình dạng chung. Ngược lại, các phân đoạn tròn lại thay đổi hình dạng tròn sang elip.

Porter cũng đang nghiên cứu về các ứng dụng từ cảm hứng đuôi cá ngựa vào các thiết bị trong thực tế. Có thể là để mở rộng quy mô cấu trúc xây dựng một cánh tay robot, có khả năng sử dụng trong các môi trường khắc nghiệt.