Pizzaentusiaster vet väl att en enkel u-formad krökning vid skorpan kan hålla en tunn skiva från att hänga över när den lyfts från en tallrik. Ett team av ingenjörer från Brown University har visat att fisk kan dra nytta av ungefär samma dynamik för att stelna sina fenor för simning.

Med hjälp av en matematisk modell och makrillbröstfenan som ett illustrativt exempel, forskarna visar hur fenstyvhet kan ändras genom att applicera en u-formad krökning vid fenans bas. Effekten, säger forskarna, kan ligga till grund för fiskens förmåga att simma med mycket varierande hastigheter i alla typer av strömmar med stor manövrerbarhet.

"Ett sätt att bli mer manövrerbart är genom att ha förmågan att generera olika mängder kraft på vattnet när man flaxar en fen, "sa Shreyas Mandre, en biträdande professor i Brown's School of Engineering och en medförfattare till forskningen. "Vi tror att fiskar modulerar krökning i botten av fenan för att göra den styvare eller mjukare, som förändrar kraften de genererar på vattnet, som i sin tur kan ligga till grund för en del av deras manövrerbarhet. "

Forskningen genomfördes i samarbete med Khoi Nguyen och Madhusudhan Venkadesan från Yale University, Ning Yu från UCLA och Mahesh M. Bandi från Okinawa Institute of Science and Technology. Det beskrivs i Journal of the Royal Society Interface .

Den matematiska modellen som Mandre och hans kollegor utvecklat gäller för en stor fiskklass som kallas Actinopterygii. Dessa är fiskarter med fläktliknande fenor av långa böjbara ben som hålls samman av en elastisk mjuk vävnad.

Generellt, säger forskarna, man har antagit att styvheten hos dessa fenor beräknas med böjstyvheten för varje ben multiplicerat med antalet ben. Men den enkla bilden ignorerar mekaniskt samspel mellan de böjbara benen och den elastiska huden, vilket skulle kunna ge betydligt mer styvhet än den enkla modellen skulle föreslå. Det samspelet visar sig också vara den mekanism genom vilken fisk förändrar en fenas styvhet genom krökning vid basen.

Forskarna tittade på mikro-CT-skanningar av benuppsättningar i makrillfenor, som i stort sett är representativa för strålfenade fiskar. De visade att benens form gör att de lättare böjer sig i vissa riktningar, och att varje bens "föredragna" böjningsriktning är felriktad något med avseende på intilliggande ben. Enligt deras matematiska läge, detta arrangemang innebär att när en kraft appliceras över en finne, benen böjer sig kollektivt på ett sätt som får dem att sprida isär. Dock, den spridande rörelsen motstås av den elastiska vävnaden som surrar ihop benen, och det är det motståndet som stelnar hela fenan.

Det sätt på vilket denna arkitektur överför krafter liknar i stort sett det sätt på vilket krafter överförs i en bit pizza som är krökt vid skorpan och blir styvare längs dess längd. Endast i detta fall, krökningens effekt "bakas in" i fenan, vilket betyder att den har de mekaniska fördelarna med en kurva även när den är platt. Att applicera en faktisk krökning vid basen av fenan skulle förstärka den stelnande effekten.

"Så genom att justera krökning, fisk kan snabbt och dramatiskt förändra hur hårt de kan trycka på vattnet, vilket skulle kunna göra dem mer manövrerbara, säger Mandre.

Forskarna säger att deras modell föreslår spännande möjligheter för design av robot simmare.

"Dessa resultat hjälper oss att förstå den funktionella betydelsen av krökning i fiskfenor, "Sa Mandre." På det sättet, det ger en designprincip som vi eventuellt kan använda för att utveckla robotbilagor för mycket manövrerbar vattendrivning. "