研究人员使用 3D 打印技术来制造“鲨鱼肠“仿生螺旋管

作为奋战在科技最前沿的有生力量，实验室和大学团队在增材制造领域开辟了越来越多有价值的发现，这是因为3D打印技术可以制造其他方法无法重现的单元和细节。例如，回想一下最近的埃及木乃伊例子，由于采用了 3D 技术，因此能够在不干扰原始制品的情况下对其进行研究。这之所以成为可能，主要是因为研究人员可以先对需要研究的部分进行 3D 扫描，然后再获得该部分的数字孪生体，然后通过 3D 打印进行复制，再继续进行探索。此外，3D打印在仿生学研究上同样展现出巨大的潜力。

2023年3月22日，南极熊获悉，由美国物理学家 Ido Levin 领导的华盛顿大学研究团队已转向 3D 技术来研究太平洋刺角鲨肠道的工作机理，以便在各种应用中模仿它，这种3D打印的螺旋管也被称为“软机器人”，或仿生机器人。

这项研究以题为“Helical pipes may act ashydrodynamic “diodes”: Anomalous fluid flow inspired by shark intestines”的论文被发表在《Biophysical Journal》期刊上，由Ido Levin、Naroa Sadaba、AlshakimNelson、Sarah L. Keller共同撰写。

相关论文链接：https://doi.org/10.1016/j.bpj.2022.11.1657

在此之前，我们对鲨鱼吃什么或它们的肠道如何工作知之甚少。在本项研究中，代表着取得突破的第一批图像是由加利福尼亚州立大学多明格斯希尔斯分校、华盛顿大学和加利福尼亚大学的研究人员组成的团队于 2021 年发布的。研究人员使用 3D 扫描仪从保存在洛杉矶自然历史博物馆的标本中扫描刺角鲨鱼肠，并创建可用于研究的 3D 图像。

研究人员根据扫描结果得到了出人意料的结果，他们发现鲨鱼体内的这些螺旋形器官会减慢食物的运动并将其向下引导通过肠道，除了蠕动外还依赖重力，即肠道平滑肌的节律收缩。肠道的功能与尼古拉·特斯拉 (Nikola Tesla) 于 1920 年获得专利的阀门相同。此外，最近的一项研究表明，这些结构还具有不对称流动，促进沿消化道（从前到后）的流动。华盛顿大学的团队希望利用这些特性来制造更好的螺旋管。

3D 打印创造这些鲨鱼肠启发的设备

这项研究在 2023 年 2 月取得了成果，此前研究人员 3D 打印了鲨鱼肠的复制品以研究其基础物理学。由物理学家 Ido Levin 领导的华盛顿大学团队随后 3D 打印了螺旋鲨鱼肠的简化仿生模型。通过测量各种流体在两个方向上通过这些结构的流量，可以提取它们的流体动力学特性。通过用较软的材料打印结构，研究人员研究了管道变形与流速之间的相互作用。

△鲨鱼肠。图片来源：Ido Levin/华盛顿大学

这些结果很重要，因为它们将能够用于设计需要控制流体流动和泵送的结构。这种控制流向的能力在从工业管道、微流体设备、软机器人到医疗植入物的工程应用中具有巨大的潜力。因此，它可应用到许多行业，包括食品、医疗、制药和能源行业。