Акула: уникальная структура кожи

Акула — уникальный пловец, быстрый и бесшумный, и таких результатов она достигла во многом благодаря уникальной структуре кожи. Кожа акулы покрыта крошечными чешуйками (кожными зубчиками), которые представляют собой дентиновые пластинки с рельефной поверхностью. Каждая пластинка оканчивается выступающим эмалевым шипом, внутри у нее, как у настоящего зуба, есть кровеносные сосуды и нервные окончания. У разных видов и даже у разных представителей одного вида форма чешуек варьирует. На плавниках и туловище акулы зубчики тоже разной формы.

В последние годы ученые активно интересуются тем, как шероховатая чешуя влияет на сопротивление воды. Этой проблемой несколько лет занимаются специалисты Гарвардского университета под руководством профессора Джорджа Лаудера (George Lauder). Ученые анализировали стационарные модели чешуи, а также гидродинамические свойства кусочков реальной кожи.

Эти эксперименты показали, что шероховатость улучшает гидродинамические свойства поверхности, но, увы, исследователи не могли изменять структуру чешуек и, следовательно, детально изучать влияние разных параметров на скорость плаванья. Так, в экспериментах с натуральной акульей кожей они использовали в качестве контроля отполированные лоскутки со сточенными чешуйками. Однако обработанная поверхность все равно оставалась шероховатой, «гладкого» контроля исследователи не добились. Поэтому они приняли решение изготовить искусственную кожу, состоящую из жестких зубчиков, прикрепленных к гибкой мембране, и испытать ее в разных гидродинамических условиях. В этом случае форму и структуру чешуек можно изменять, а чистую мембрану использовать для сравнения.

Искусственная кожа акулы. На ее вогнутом и плоском участках зубчики накладываются друг на друга, на выгнутом участке расстояние между ними увеличивается.

 Исследователи изучили фрагмент кожи сельдевой акулы, она же акула мако Isurus oxyrinchus, пойманной близ Бостона, и с помощью компьютерной томографии получили детальные трехмерные изображения ее кожных зубчиков. Затем тысячи искусственных жестких зубчиков напечатали на bD-принтере. Настоящие чешуйки акулы настолько мелкие, что принтер не может воссоздать их с должной точностью. Исследователям пришлось изготовить модель, увеличенную в 12,4 раза. Но даже при таком увеличении искусственная чешуйка получилась крошечная — всего 1,5 мм в длину.

Длина одной синтетической акульей чешуйки всего 1,5 мм

Искусственные твердые чешуйки прочно «заякорены» в гибкой мембране размером 177 на 77 мм. В качестве контроля ученые использовали гладкую мембрану, а чтобы она не отличалась по массе от опытного образца, сделали ее немного толще. Искусственную кожу или гладкую мембрану наклеивали с двух сторон на лист гибкого пластика. Образцы помещали в резервуар с водой и испытывали при разных скоростях потока. Исследователи использовали устройство, позволяющее изгибать образец с различной амплитудой и скоростью, имитируя движения акульей кожи во время плаванья.

Во многих экспериментах кожа, покрытая чешуйками, имеет преимущества перед гладкой. Если образец неподвижен, у него меньше статическое сопротивление. Когда он колеблется, то облегчает акуле плавание. Например, при частоте колебаний 1,5 Гц и амплитуде один сантиметр скорость движения должна вырасти на 6,6% при сокращении энергетических трат на 5,9%. Гидродинамические характеристики кожи, по-видимому, зависят не только от геометрии чешуек, но и от их взаимного расположения, которое при движении меняется. Скорость колебаний образца влияет на его кривизну, а следовательно, на взаимное расположение зубцов, динамику потока воды у поверхности и на скорость плаванья.

Чешуйки прочно «заякорены» в толще кожи

Джордж Лаудер и его сотрудники хвалят 3D печать, которая позволяет очень быстро изготовить достаточно большой и сложный по структуре образец, в котором сочетаются материалы с разными механическими свойствами. Ни один другой метод не позволяет с такой точностью воспроизвести строение акульей кожи. Единственное ограничение метода заключается в том, что 3D-принтер не может печатать очень маленькие детали, поэтому исследователям пришлось удовлетвориться увеличенной моделью. Впрочем, несоблюдение размеров не помешало эксперименту. К тому же у разных видов акул чешуйки разного размера, и некоторые из них можно воссоздать в натуральную величину.

Теперь, когда исследователи разработали технологию 3D-печати искусственной акульей кожи, они могут изменять размер, морфологию и взаимное расположение зубчиков, что открывает новые возможности для изучения гидродинамических свойств различных шероховатых поверхностей. Такие исследования помогут понять, почему у акул на разных частях тела разные чешуи. И, естественно, работа будет иметь прикладное значение.

На основе статьи: Li Wen, J.C. Weaver and G.V. Lauder Biomimetic shark skin: design, fabrication and hydrodynamic function, The Journal of Experimental Biology, 2014, 217, 1656—1666, DOI: 10.1242/jeb.097097.