Ett team av studenter som arbetar med Jonathan Boreyko, docent i maskinteknik vid Virginia Tech, har upptäckt metoden som ankor använder för att hänga upp vatten i sina fjädrar under dykning, så att de kan skaka ut det när de dyker upp. Upptäckten öppnar dörren för tillämpningar inom marin teknik. Fynden publicerades i ACS tillämpade material och gränssnitt .

Boreyko har ett väletablerat arbete inom området vätskemekanik, inklusive uppfinningen av en dimharpa och användningen av inneslutna, återcirkulerad ånga som kylanordning. Allt eftersom hans forskning har utvecklats under det senaste decenniet, mekaniken bakom avvätning av ankor har varit ett av hans längsta projekt.

"Jag fick den här idén när jag var på Duke University, " sa Boreyko. "Jag hade en riktigt dålig parkeringsplats, men min promenad tog mig rakt igenom de natursköna Duke Gardens. Jag gick förbi dammar med massor av ankor, och jag märkte att när en anka kommer upp ur vattnet, de skulle skaka sina fjädrar och vatten skulle flyga iväg. Jag insåg att det de gjorde var en avfuktande övergång, släppa ut vatten som var delvis inuti deras fjädrar. Det var kärnan till idén. I min forskning, en ren slump, Jag studerade samma sak. Jag insåg att dessa övergångar bara fungerar om vattnet inte får komma hela vägen till botten av den porösa fjäderstrukturen. "

Boreyko förblev nyfiken på hur balansen uppnåddes, nyfiken på mekanismerna som gör att en anka kan hålla vatten i sina fjädrar utan att sjunka helt. Han tog Farzad Ahmadi in i sitt labb 2014 som doktorand, dela denna intriger i ett av deras tidiga möten. Ahmadi tog upp projektet och gick in i de finare detaljerna. Deras första tillvägagångssätt var enkelt - de försökte tvinga en enda droppe vatten genom en naturlig ankfjäder.

"Det fungerade inte, ", sa Ahmadi. "Då fick vi idén att bygga en tryckkammare för att tvinga en vattenpöl genom flera lager av fjädrar."

Under press

Teamet behövde först säkerställa att vattnet bara kunde tränga in direkt genom fjädrarna, i motsats till att helt enkelt läcka runt deras ytterkanter. För att uppnå detta, de förseglade en fjäder i taget, lämnar endast ett litet område exponerat. Forskarna förseglade varje lager, lämnar ett område exponerat på samma plats på varje yta. Detta gjorde att de kunde skapa en kolumn med exponerade fjäderytor uppåt genom stapeln. En tunn vattenpöl hälldes över den övre exponerade ytan. Stapeln placerades i en tryckkammare, och gastryck användes för att trycka vattnet nedåt genom fjädrarna. En kamera placerades på botten för att observera vattnet när det passerade genom lagren.

Fjädrar har mikrostora öppningar i dem, små slitsar som låter trycksatt vatten passera. En anka som sitter på ytan av en damm stöter inte på något vattentryck, så vatteninträngningen är försumbar. En anka som dyker nedåt, dock, stöter på en stadig ökning av hydrostatiskt tryck, något som är bekant för alla som tar ett dyk i den djupa delen av en pool.

Ahmadi upptäckte att när antalet fjäderlager ökar, trycket som krävs för att trycka vatten genom alla lager måste också öka. Detta skapar en sorts baslinje, ett maximalt tryck upp till vilket fjädrarna håller vattnet in i dem, men låt inte vattnet nå en anks hud.

"Vår hypotes var att använda flera lager av fjädrar så att vattnet bara kommer delvis, men det finns luftfickor under det, " Boreyko förklarade. "Så länge de luftfickorna är närvarande, det förhindrar något som kallas irreversibel vätning. Så länge vätningen endast är delvis, de kan skaka ut den när de kommer upp."

Ahmadi upptäckte också att arter av ankor tenderar att ha det exakta antalet fjäderlager som behövs för att undvika irreversibel vätning under sina dyk. En gräsand, till exempel, har fyra lager av fjädrar. Det maximala djupet till vilket en typisk gräsand dyker motsvarar ett hydrostatiskt tryck som invaderade en trefjädrad stack men inte fyra. På det här sättet, minst ett lager av fjädrar förblir torrt efter ett dyk, låter ankan skaka ut vattnet när den kommer fram.

Designa syntetiska fjädrar

Efter att ha etablerat den grundläggande mekaniken för ankavfuktning, Boreykos team satte sig för att skapa ett syntetiskt material som fungerar på liknande sätt. Teamet gjorde bioinspirerade fjädrar av ett tunt ark av aluminiumfolie, laserskärning av en rad slitsar som är en tiondels millimeter breda för att efterlikna hullarna på en ankfjäder. De återskapade också den håriga nanostrukturen av fjädrar genom att lägga till en aluminium-nanostruktur till aluminiumstänger.

De syntetiska fjädrarna gav nästan identiska resultat under testning, en kredit till styrkan i naturens design. Tillämpning och skalning av denna teknik är ett logiskt nästa steg för Boreyko, och han har några idéer.

Denna lagereffekt kan vara till hjälp för att fånga luftfickor i avsaltningsmembran, mekanismer som tar bort salt från havsvatten. Boreyko tror också att det finns potential för att applicera skiktade syntetiska fjädrar på utsidan av en båt, för att få båten att färdas lättare genom vattnet och minska mängden havstulpanliknande organismer som klänger fast vid skrovet.

"Om vi ​​tänker på ett fartyg som rör sig över vattnet som en konstruerad fågel, just nu simmar det naken, "Boreyko säger." Vi undrar om kläder på fartyget i fjädrar kan ge samma förbättringar som sjöfåglar har nytta av. "