Los castores y las nutrias marinas carecen de la gruesa capa de grasa que aísla a las morsas y las ballenas. Y sin embargo, estos pequeños mamíferos semiacuáticos pueden mantenerse calientes e incluso secos mientras bucean, atrapando bolsas de aire caliente en densas capas de piel.
Inspirados por estos nadadores peludos, los ingenieros del MIT ahora han fabricado pieles gomosas y similares a pieles y las han utilizado para identificar un mecanismo por el cual el aire queda atrapado entre los pelos individuales cuando las pieles se sumergen en líquido.
Los resultados, publicados en la revista Fluidos de revisión física , proporcione una comprensión mecánica detallada de cómo los mamíferos como los castores se aíslan mientras bucean bajo el agua. Los hallazgos también pueden servir como una guía para diseñar materiales bioinspirados, en particular, trajes de neopreno cálidos y peludos.
"Estamos particularmente interesados en los trajes de neopreno para surfear, donde el atleta se mueve con frecuencia entre el aire y el agua", dice Anette Peko Hosoi, profesora de ingeniería mecánica y jefa asociada del departamento del MIT. "Podemos controlar ellongitud, espacio y disposición de los pelos, lo que nos permite diseñar texturas para adaptarse a ciertas velocidades de inmersión y maximizar la región seca del traje de neopreno ".
Los coautores de Hosoi incluyen a la autora principal y estudiante de posgrado Alice Nasto, el postdoctorado José Alvarado y el instructor de matemáticas aplicadas Pierre-Thomas Brun, todos del MIT, así como la ex investigadora visitante Marianne Regli y Christophe Clanet, ambos de École Polytechnique,en Francia.
ciencia del surf
La investigación del grupo fue motivada por un viaje a Taiwán en 2015. Hosoi dirige STE @ M Tecnología y educación deportiva en el MIT del MIT, un programa que alienta a los estudiantes y profesores a realizar proyectos que ayuden a promover las tecnologías deportivas. En el verano de 2015, Hosoi llevó a un grupo de estudiantes de STE @ M a Taiwán, donde visitaron a varios fabricantes de artículos deportivos, incluido el fabricante de trajes de neopreno, Sheico Group.
"Están interesados en la sostenibilidad y nos preguntaron: '¿Existe una solución bioinspirada para los trajes de neopreno?'", Dice Hosoi. "Los surfistas, que entran y salen del agua, quieren ser ágiles y arrojar agua lo más rápido posiblecuando están fuera del agua, pero conservan las propiedades de gestión térmica para mantenerse calientes cuando están sumergidas ".
Cuando el grupo regresó del viaje, Hosoi asignó el problema a Nasto, animándola a encontrar ejemplos en la naturaleza que pudieran servir como modelo de diseño para trajes de neopreno cálidos, secos y aerodinámicos. En sus búsquedas de literatura, Nasto se centró en los mamíferos semiacuáticos, incluidos castores y nutrias marinas. Los biólogos habían observado que estos animales atrapan o "arrastran" aire en su pelaje.
Nasto también se enteró de que los animales están cubiertos con dos tipos de pelaje: pelos largos y delgados de "protección", que actúan como un escudo para las "pieles" más cortas y densas. Los biólogos han pensado que los pelos protectores evitan que el agua penetre en la piel., atrapando así el aire caliente contra la piel de los animales. Pero como señala Nasto, "no hubo una comprensión mecánica completa de ese proceso. Ahí es donde entramos nosotros".
bolsillos profundos
El equipo diseñó un plan: fabrique superficies precisas, similares a pieles de varias dimensiones, sumerja las superficies en líquido a diferentes velocidades y con imágenes de video mida el aire que queda atrapado en el pelaje durante cada inmersión.
Para hacer superficies peludas, Nasto primero creó varios moldes cortando con láser miles de pequeños agujeros en pequeños bloques acrílicos. Con cada molde, usó un programa de software para alterar el tamaño y el espaciado de los pelos individuales. Luego llenó los moldes conuna goma blanda de fundición llamada PDMS polidimetilsiloxano, y sacó las superficies vellosas del molde después de que se hayan curado.
En sus experimentos, los investigadores montaron cada superficie peluda en una plataforma motorizada vertical, con los pelos hacia afuera. Luego sumergieron las superficies en aceite de silicona, un líquido que eligieron para observar mejor la formación de las bolsas de aire.
A medida que cada superficie descendía, los investigadores pudieron ver dentro de los pelos un límite claro entre el líquido y el aire, con el aire formando una capa más gruesa en los pelos más cercanos a la superficie y adelgazando progresivamente con la profundidad. Entre las diversas superficies, encontraronque aquellos con pelaje más denso que fueron sumergidos a velocidades más altas generalmente retuvieron una capa más gruesa de aire dentro de sus cabellos.
trampa para pieles
A partir de estos experimentos, pareció que el espaciamiento de los pelos individuales y la velocidad a la que se hundieron jugaron un papel importante en la determinación de la cantidad de aire que podía atrapar una superficie. Hosoi y Nasto desarrollaron un modelo simple para describir este aire.-trapping en términos matemáticos precisos. Para hacer esto, modelaron las superficies del cabello como una serie de tubos, que representan los espacios entre los pelos individuales. Luego pudieron modelar el flujo de líquido dentro de cada tubo y medir el equilibrio de presión entre loscapas de líquido y aire resultantes.
"Básicamente, encontramos que el peso del agua empuja el aire hacia adentro, pero la viscosidad del líquido se resiste al flujo a través de los tubos", explica Hosoi. "El agua se adhiere a estos pelos, lo que evita que el agua penetre en todosel camino a su base. "
Hosoi y Nasto aplicaron su ecuación a los datos experimentales y encontraron que sus predicciones coincidían con los datos con precisión. Los investigadores ahora pueden predecir con precisión qué tan gruesa una capa de aire rodeará una superficie peluda, según su ecuación.
"La gente ha sabido que estos animales usan su pelaje para atrapar el aire", dice Hosoi. "Pero, dado un trozo de pelaje, no podrían haber respondido a la pregunta: ¿Esto atrapará aire o no?cuantificó el espacio de diseño y puede decir: 'Si tiene este tipo de densidad y longitud de cabello y está buceando a estas velocidades, estos diseños atraparán aire, y estos no'. ¿Cuál es la información que necesita si va adiseña un traje de neopreno. Por supuesto, podrías hacer un traje de neopreno muy peludo que se parezca a Cookie Monster y probablemente atrape aire, pero probablemente esa no sea la mejor manera de hacerlo ".
José Bico, profesor de ESPCI Instituto de Educación Superior en Física Industrial y Química de la Ciudad de París en París, señala otra aplicación de los resultados del grupo: el proceso de recubrimiento por inmersión industrial, mediante el cual las superficies se sumergen en polímero paralograr una capa protectora uniforme.
"El arrastre de aire o líquido es un gran problema en muchas aplicaciones de recubrimiento industrial", dice Bico, que no participó en la investigación. "Por ejemplo, muchos tratamientos implican sumergir un objeto en un baño de algún líquido.En ese caso, no desea que el aire quede atrapado. Este modelo indica qué tan rápido se puede [sumergir] antes de atrapar el aire ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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