Na skaleniu fali na północnym Oceanie Spokojnym ryba o nazwie Sculpin mocno chwyta powierzchnię, aby utrzymać stabilność w trudnym środowisku. W przeciwieństwie do jeżowców, które wykorzystują stopy rurowe wydzielające klej, aby przylegać do otoczenia, rzeźby udaje się chwycić bez wyspecjalizowanego narządu kleju, takiego jak stopy rurowe lub kubki ssących ośmiornicy.
Dlaczego więc jest to znaczące i dlaczego naukowcy tak chętnie to rozumieją? Organizmy morskie kwitnące w środowiskach o wysokiej energii służą jako doskonałe naturalne modele do projektowania bardziej wydajnych i skutecznych urządzeń inżynierskich, takich jak roboty, chwytaki i kleje. Ulepszone kleje mogą mieć szerokie skutki, od wzmocnienia urządzeń medycznych po tworzenie opon z lepszym uchwytem.
Zespół naukowców z Syracuse University i University of Louisiana w Lafayette, którzy specjalizują się w morfologii funkcjonalnej, to znaczy, w jaki sposób kształt i struktura organizmu pomaga mu działać, niedawno odkrył nową i zaskakującą cechę trakcji w sculpinach. Znaleźli mikroskopijne cechy na płetwach, potencjalnie pozwalając im silne przyleganie do powierzchni podwodnej do walki z prądami i falami. Ich wyniki zostały opublikowane w Journal Royal Society Open Science.
„Aby zapobiec zmiataniu się, te rzeźby potrzebują innego sposobu utrzymania się na pozycji”-mówi Emily Kane, profesor biologii na University of Louisiana w Lafayette, który współautor badania z Austin Garner, profesorem biologii na Uniwersytecie Syracuse. „Jedną z funkcji, która wyróżnia tę grupę, jest modyfikacja płetw piersiowych, tak że dolna część ma zmniejszoną taśmę, która pozwala promieniom płetwu na wyczerpanie się dalej niż płetwa. Mogą je używać do trzymania skał lub innych substratów, ale niektóre gatunki mają dalsze modyfikacje, które pozwalają na spacery i funkcje sensoryczne”.
Poprzednie badania wykazały, że sculpiny używają mechanizmów hydrodynamicznych, takich jak posiadanie małego, usprawnionego ciała i używanie płetw do tworzenia ujemnego podnoszenia, w celu utrzymania równowagi i przyczepności. Dodatkowo opisano mechanizmy fizyczne, takie jak chwytanie podłoża elastycznymi promieniami płetw w dolnej części płetwy (podobnej do palców). W tym badaniu dokumentuje nową teksturę powierzchni, sugerując, że te dolne promienie płetwy mogą również powodować tarcie lub przyczepność na poziomie mikroskopowym, jeszcze bardziej zwiększając ich uchwyt.
Kane i jej zespół po raz pierwszy odkryli te funkcje podczas pracy w terenie latem 2022 r. W piątkowym Harbour w Waszyngtonie. Obserwując płetwy na poziomie mikroskopowym za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego, natychmiast rozpoznała podobieństwo między cechami Sculpins a drobnymi włosami na stopach gecko. Następnie skontaktowała się z Garnerem, który jest ekspertem w zakresie przyczepności i przywiązania zwierząt.
„Moje laboratorium jest zainteresowane tym, w jaki sposób zwierzęta łączą się z powierzchniami w ich środowisku podczas zachowań stacjonarnych i lokomotorycznych, szczególnie w tych organizmach, które korzystają z interakcji klejowych lub tarcia, wykorzystując wyspecjalizowane narządy przywiązania”, mówi Garner, który jest również członkiem instytutu bioinspirowanego w Syracuse, w których naukowcy współpracują, aby rozwijać i projektować materiały inteligentne, aby rozwiązać globalne wyzwania. „Korzystając z bardzo podobnych ram do badań, które przeprowadziłem w jaszczurkach i jeżowcach morskich, współpracowaliśmy, aby zaprojektować i wykonać to badanie”.
Zespół skupił się na cechach takich jak gęstość, obszar i długość, aby nakreślić teksturę skóry na promienie płetwy.
„Porównaliśmy te miary z wartościami innych zwierząt o podobnych cechach, o których wiadomo, że wytwarzają siłę chwytania tarcia, takie jak papier ścierny na płetwach”, mówi Kane. „Istnieją pewne podobieństwa w sculpinach, które sprawiają, że myśleliśmy, że mogą robić coś podobnego”.
Zbadany obraz ujawnia mikroskopijne struktury na przypominających palce wyrostki Sculpins, które sądzą, że poprawia uchwyt. Zespół zaobserwował, że gatunki zamieszkujące wysokoenergetyczne środowiska przybrzeżne z fali wykazują różne aranżacje tych struktur mikroskopowych w porównaniu z tymi w mniej ekstremalnych siedliskach. (Dzięki uprzejmości: Emily Kane)
Garner zauważa, że ich praca jest pierwszym opisem tych mikrostruktur na płetwie promieni sculpin. „Nie tylko opisaliśmy formę i konfigurację tych struktur w tej pracy, ale także wygenerowaliśmy testowalne hipotezy, które służą jako silne podstawy intelektualne, abyśmy mogli kontynuować badanie w naszej przyszłej pracy na ten temat” – mówi.
Co będzie wymagało tych nadchodzących badań i czy badanie tych struktur może doprowadzić do opracowania nowych klejów inspirowanych biologicznie do użytku społecznego?
Garner sugeruje, że forma i funkcja płetw sculpin można skutecznie zintegrować z robotami inspirowanymi bio-inspirowanymi w celu podwodnej nawigacji i eksploracji. W miarę postępu badań ich zespół przewiduje, że zrozumienie mikrostruktur na płetwach sculpin zaoferuje nowe możliwości projektowania syntetycznych urządzeń do załącznika, które mogą bezpiecznie łączyć się, a nawet podwodne.
Kto wie, być może pewnego dnia podwodny robot z inspirowanymi sculpinem chwytaków będzie eksplorował głębiny oceaniczne i wytwarzać fale w świecie technologii inspirowanej bio.