神奇！管道中单向流体流动竟受鲨鱼肠道启发

挡板发挥着至关重要的作用。从跳动的心脏到运转中的发动机，挡板有助于液体单向流动。没有它们，让液体朝着正确的方向流动是很难做到的。

华盛顿大学的研究人员发现了一种帮助液体单向流动的新方法——但无需挡板。在 9 月 24 日发表于《美国国家科学院院刊》的一篇论文中，他们报告称，一种内部具有受鲨鱼肠道启发的螺旋结构的柔性管道，可以在没有发动机和解剖结构所依赖的挡板的情况下保持液体单向流动。

但对于鲨鱼和鳐鱼而言，其肠道内部通道周围存在一个螺旋网络。在 2021 年的一篇出版物中，另一个团队提出，这种独特的结构促进了液体在鲨鱼和鳐鱼的消化道中单向流动——也称为流动不对称——无需挡板或其他防止回流的辅助手段。这一说法引起了华盛顿大学博士后研究员伊多·莱文的关注，他是此篇新论文的主要作者。

“在没有活动挡板的管道中实现流动不对称具有巨大的技术潜力，不过其机制令人费解，”莱文说道。“不清楚鲨鱼肠道结构的哪些部分导致了这种不对称，哪些部分只是为了增加营养吸收的表面积。”

为回答这些问题，莱文带领了一个团队，团队成员包括共同作者萨拉·凯勒和阿尔沙基姆·尼尔森，这两位都是华盛顿大学的化学教授，还有华盛顿大学的博士后研究员纳罗亚·萨达巴。

他们 3D 打印了一系列“仿生管道”，这些管道内部的所有螺旋结构均受鲨鱼肠道布局的启发。

他们对这些原型管道的几何参数进行了改变，比如螺旋的螺距角或者匝数。

“第一次测量流动不对称性是一个‘尤里卡’时刻，”莱文说道。“在此之前的那一瞬间，我们不清楚我们理想化的结构能否重现鲨鱼身上所看到的流动效应。”

通过进一步调整几何参数并打印新的设计方案，研究人员增强了流动的不对称性，使其能够与著名发明家尼古拉·特斯拉的设计相匹敌，甚至超越了他的设计。

“可不是每天都能胜过特斯拉的，”莱文说道。

但是鲨鱼的肠道——跟人类的肠道一样——并非是刚性的。

该团队猜测，由更柔韧的材料制成的所谓“可变形结构”用作特斯拉阀或许会有更出色的表现。

他们使用可打印且在市面上有售的最柔软聚合物，通过 3D 打印技术制作了第二批原型。

这些柔性管道设计，通过其“可变形性”和内部螺旋结构，能更好地对鲨鱼肠道进行模拟，其性能至少比此前所有测量过的特斯拉阀高出七倍。

“化学家们已经有开发同时具备柔软、坚固且可打印特性的聚合物的动力，”开发新型聚合物的专家纳尔逊说。“这些聚合物在从工程到医学等应用中控制流量的潜在用途，进一步增强了这一动力。”

“实际的肠道仍旧比我们的软材料柔软大约 100 倍，”萨达巴说。

凯勒认为该项目的成功得益于团队在生物学、化学和物理学方面的跨学科构想，还有鲨鱼本身。

“仿生学是发现新设计的有力途径，”凯勒说道。“我们自己压根儿就想不到这些结构。”