Remora fiskar är berömda liftare i den marina världen, besitter kraftfulla sugskivor på baksidan av huvudet för att fästa sig på torpedliknande sätt till större värdar som kan ge mat och säkerhet – från valar och hajar till båtar och dykare.

Nyckeln till remorans vidhäftning är skivans välkända förmåga att generera sug, samt friktion skapad av taggiga ben i disken som kallas lameller för att behålla greppet om dess värd. Dock, faktorerna som driver utvecklingen av remoras unika diskmorfologi har länge undgått forskare som försöker förstå, och till och med konstruera nya enheter och lim som efterliknar, fiskens kusliga förmåga att låsa sig vid olika yttyper utan att skada sin värd eller förbruka mycket energi, ofta i timmar i taget under extrema oceaniska krafter.

I en studie ledd vid New Jersey Institute of Technology (NJIT), Forskare har visat upp en ny biologiskt inspirerad remora-skiva som kan replikera de passiva sug- och friktionskrafterna som driver fiskens förmåga, visar upp till 60 % större hållfasthet än vad som har uppmätts för levande remoras fästa på hajhud.

Genom att använda skivmodellen för att utforska evolutionära drivkrafter för remorans skiva, forskare säger att studiens resultat ger bevis för att dagens levande arter av remora har utvecklat ett större antal lameller över tiden för att förbättra deras hållkraft och förmåga att fästa till ett bredare utbud av värdar med jämnare ytor, och därmed ökar deras chanser att överleva.

Studien, med i Bioinspiration och biomimetik , indikerar att skivmodellen kan användas för att informera designen om mer effektiva, billigare limtekniker i framtiden.

"Det fina bakom remorans vidhäftningsmekanism är att biologiska vävnader i sig gör det mesta av arbetet, sa Brooke Flammang, professor i biologiska vetenskaper vid NJIT som ledde studien. "Den viktigaste aspekten av denna forskning är att vår robotskiva helt och hållet förlitar sig på den grundläggande fysiken som driver den vidhäftande mekanismen i remoror, så att vi kan bestämma biologiskt relevanta prestanda och få insikt i utvecklingen av remorans skiva. Detta var tidigare inte möjligt med tidigare konstruktioner som krävde en mänsklig operatör för att kontrollera systemet."

Avviker från många av deras närmaste asätareliknande förfäder, såsom cobia (Rachycentron canadum), remorafisken (av familjen Echeneidae) tros först ha börjat fästa sig vid värdar med grova ytor, liknande hajar, efter att ha utvecklat sin sugskiva från ryggfensryggar för nästan 32 miljoner år sedan. Skivan av levande remoror har idag en köttig, mjuk yttre läpp för sug medan skivans insida rymmer många fler linjära rader av vävnad (lameller) med tandliknande vävnadsutskott (spinuler), som fisken höjer för att generera friktion mot olika värdkroppar för att förhindra halka under lifting.

Enligt Flammang, medan forskare har kastat lite ljus över ursprunget till remorans modifierade fenstruktur, grundläggande aspekter av diskens utveckling har i stort sett förblivit oklara.

"Utvecklingen av remorans skiva är i stort sett okänd, sade Flammang. Det finns en fossil remora, Opisthomyzon, i fossilregistret som har en skiva med färre lameller [än dagens remoror] utan spinuler mot bakhuvudet."

Flammang säger att detta väcker två frågor:"hur" och "varför".

"Hur" kommer från ryggfenan, även om de mellanliggande evolutionära stadierna inte är kända, ", förklarade Flammang. "Om du tittar på en fylogeni av remoras visar det att de arter som tros vara mer härledda har fler lameller ... "varför" har antagits vara för adhesiv prestanda, men det testades aldrig innan denna tidning."

Att lära sig mer, Kaelyn Gamel, studiens första författare och tidigare doktorandforskare i Flammanglabbet, designade en remora-inspirerad skiva från kommersiellt tillgängliga 3-D-tryckta material som autonomt kunde bibehålla fäste på olika ytor och modifieras genom att lägga till och ta bort lameller, vilket gör det möjligt för teamet att undersöka prestandan av ökat lamellantal på skjuvvidhäftning.

"Vår skivas förmåga att lägga till och ta bort lameller samtidigt som den fungerar som ett passivt system gjorde det möjligt för oss att ändra mängden friktion tillsammans med det omgivande trycket i skivan, sa Gamel, nu doktorand. forskare vid University of Akron. "Vi kunde jämföra skillnaden mellan ingen friktion, viss friktion och mycket friktion baserat på variationen i lamellantal."

I samarbete med Austin Garner, en forskare vid University of Akron, teamet genomförde pull-off tester med sin modellskiva under vattnet, experimenterar med modellens lamellnummer (upp till 12 lameller) för att mäta skjuvkraften och tiden det tog att dra skivan från kiselformar med ytor som sträcker sig från helt släta till de som överstiger hajskinnets grovhet (350-korn, 180-grit och 100-grit).

Övergripande, teamet fann att skivans adhesiva prestanda var starkt korrelerad med en ökning av skivans lameller, observerar en "sweet spot" i sugkraft mellan nio och 12 lameller. När modifierad till 12 lameller och 294 spinuler, lagets skiva vägde bara 45 gram och motstod 27 N (newton) krafter i 50 sekunder – nästan tre gånger den kraft som vanligtvis skulle dra en remora från en haj. Testerna avslöjade också att minst sex lameller - antalet som av en slump hittades på den 32 miljoner år gamla fossila Opisthomyzon - behövdes för att bibehålla vidhäftningen.

"Det som är mest slående med dessa resultat är att för en given skivform, det finns ett optimalt område där friktions- och sugfenomenen är balanserade, och [eftersom deras skivstorlek har blivit längre] har remoror utvecklats för att bibehålla denna söta punkt av högpresterande vidhäftning, " förklarade Flammang.

Teamet säger nu att deras remora-skivmodell kommer att användas för framtida evolutionära studier för att ta reda på om sug eller friktion dominerade vidhäftning hos de tidigaste remora-förfäderna och hur utvecklingen av skivformen påverkar vidhäftningen. Skivan kan också ha tekniska tillämpningar i allt från medicinska biosensorer och läkemedelsleveransanordningar till geoavkänningstaggar för ekologiska studier och spårning av marint liv." En av de största fördelarna med vår design är att den fungerar självständigt eftersom den bara förlitar sig på fysiken av systemet för drift, ", sa Flammang. "Detta gör den lätt skalbar för en mängd nya teknologier, både för medicinska och vetenskapliga ändamål."