Våra kroppar är fodrade på insidan med mjuka, mikroskopiska mattor av hår, från de gräsbevuxna förlängningarna på våra smaklökar, till luddiga bäddar av mikrovilli i våra magar, till superfina proteinsträngar i hela våra blodkärl. Dessa håriga projektioner, förankrad på mjuka ytor, böj och vrid med strömmarna från vätskorna de är nedsänkta i.

Nu har ingenjörer vid MIT hittat ett sätt att förutsäga hur små, mjuka hårbäddar kommer att böjas som svar på vätskeflödet. Genom experiment och matematisk modellering, de fann att, inte överraskande, stela hårstrån tenderar att hålla sig upprätt i ett vätskeflöde, medan mer elastisk, hängande hår ger lätt efter för en ström.

Det finns, dock, en söt plats där hår, böjd i precis rätt vinkel, med en elasticitet varken för mjuk eller styv, kan påverka vätskan som strömmar genom dem. Forskarna fann att sådana vinklade hårstrån rätas ut när vätska rinner mot dem. I den här konfigurationen, hårstrån kan bromsa ett vätskeflöde, som ett tillfälligt upphöjt galler.

Resultaten, publicerades denna vecka i tidskriften Naturfysik , kan hjälpa till att belysa de håriga ytornas roll i kroppen. Till exempel, forskarna hävdar att vinklade hårstrån i blodkärlen och tarmarna kan böjas för att skydda omgivande vävnader från överflödiga vätskeflöden.

Fynden kan också hjälpa ingenjörer att designa nya mikrofluidiska enheter som hydrauliska ventiler och dioder - små chips som styr flödet av vätska genom olika kanaler, via mönster av små, vinklade hårstrån.

"I mycket liten skala, det är väldigt svårt att designa saker med funktioner som du kan byta, säger Anette (Peko) Hosoi, professor och biträdande avdelningschef för verksamheten vid MIT:s institution för maskinteknik. "Dessa vinklade hårstrån kan användas för att göra en vätskediod som växlar från högt motstånd till lågt när vätska strömmar i en riktning mot en annan."

Hosoi är medförfattare på tidningen, tillsammans med huvudförfattaren och MIT postdoc José Alvarado, tidigare doktorand Jean Comtet, och Emmanuel de Langre, professor vid institutionen för mekanik vid École Polytechnique.

Från kattpäls till hårborstar

"Det har gjorts mycket arbete i stor skala, studera vätskor som vind som flödar förbi ett fält med gräs eller vete, och hur böjning eller förändring av formen på ett föremål påverkar impedansen, eller vätskeflöde, " Alvarado säger. "Men det har varit väldigt lite arbete i liten skala som kan tillämpas på biologiska hårstrån."

För att undersöka beteendet hos mycket små hårstrån som svar på strömmande vätska, teamet tillverkade mjuka hårbäddar genom att laserskära små hål i ark av akryl, fyllde sedan hålen med flytande polymer. När det stelnat, forskarna tog bort polymerhårsängarna från akrylformarna.

På det här sättet, laget tillverkade flera bäddar av hår, var och en ungefär lika stor som en liten Post-it-lapp. För varje säng, forskarna ändrade densiteten, vinkel, och hårstrånas elasticitet.

"De tätaste är jämförbara med korthårig kattpäls, och de lägsta är något som metallhårborstar, " säger Alvarado.

Teamet studerade sedan hur hårstrån reagerade på flytande vätska, genom att placera varje bädd i en reometer – ett instrument som består av en cylinder i en annan. Forskare fyller vanligtvis utrymmet mellan cylindrarna med en vätska, rotera sedan den inre cylindern och mät vridmomentet som genereras när vätskan drar med sig den yttre cylindern. Forskare kan sedan använda detta uppmätta vridmoment för att beräkna vätskans viskositet.

För sina experiment, Alvarado och Hosoi kantade reometerns inre cylinder med varje hårbädd och fyllde utrymmet mellan cylindrarna med en viskös, honungsliknande olja. Teamet mätte sedan det genererade vridmomentet, samt hur snabbt den inre cylindern snurrade. Från dessa mätningar, laget beräknade impedansen, eller motstånd mot flöde, skapas av hårstrån.

"Det som är förvånande är vad som hände med vinklade hårstrån, " Alvarado säger. "Vi såg en skillnad i impedans beroende på om vätskan flödade med eller mot kornet. I grund och botten, hårstrån ändrade form, och förändra flödet runt dem."

"Intressant fysik"

För att studera detta vidare, laget, ledd av Comtet, utvecklat en matematisk modell för att karakterisera beteendet hos mjuka hårbäddar i närvaro av en strömmande vätska. Forskarna utarbetade en formel som tar hänsyn till variabler som en vätskas hastighet och hårets dimensioner, för att beräkna omskalad hastighet – en parameter som beskriver hastigheten hos en vätska kontra elasticiteten hos ett föremål i den vätskan.

De fann att om den omskalade hastigheten är för låg, hårstrån är relativt motståndskraftiga mot flyt och böjer sig endast något som svar. Om den omskalade hastigheten är för hög, hårstrån böjs lätt eller deformeras i vätskeflöde. Men mitt emellan, som Alvarado säger, "intressant fysik börjar hända."

I denna regim, ett hårstrå med en viss vinkel eller elasticitet uppvisar en "asymmetrisk dragrespons" och kommer bara att rätas ut om vätskan rinner mot åden, sakta ner vätskan. En vätska som strömmar från nästan vilken annan riktning som helst kommer att lämna de vinklade hårstråna – och vätskans hastighet – opåverkade.

Denna nya modell, Alvarado säger, kan hjälpa ingenjörer att designa mikrofluidiska enheter, fodrad med vinklade hår, som passivt styr flödet av vätskor över ett chip.

Hosoi säger att mikrofluidiska enheter som hydrauliska dioder är en viktig del för att utveckla komplexa hydrauliska system som i slutändan kan göra riktigt arbete.

"Datorer och mobiltelefoner gjordes möjliga på grund av uppfinningen av billiga, fast tillstånd, småskalig elektronik, " säger Hosoi. "På hydrauliska system, vi har inte sett den typen av revolution eftersom alla komponenter är komplexa i sig. Om du kan göra små, billiga vätskepumpar, dioder, ventiler, och motstånd, då borde du kunna släppa lös samma komplexitet som vi ser i elektroniska system, i hydrauliska system. Nu har den hydrauliska halvledardioden hittats."