• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Fysik
    Glassvampar visar viktiga egenskaper för design av fartyg, framtidens skyskrapor och flygplan

    Hydrodynamiskt fält inom och utanför skelettstrukturen av glassvampen Euplectella aspergillum. Fältet rekonstruerades med CINECA superdatorer. Kinetiska metoder och avancerade beräkningskoder har gjort det möjligt att exakt rekonstruera livsvillkoren för djupsvamparna, belyser deras anmärkningsvärda strukturella och flytande dynamiska egenskaper. Kredit:G. Falcucci, Tor Vergata universitet i Rom

    De anmärkningsvärda strukturella egenskaperna hos Venus blomkorgsvamp (E. aspergillum) kan tyckas famnar bort från mänskliga konstruktioner. Dock, insikter om hur organismens gitterverk av hål och åsar påverkar havsvattendynamiken i dess närhet kan leda till avancerade konstruktioner för byggnader, broar, marina fordon och flygplan, och allt som måste reagera säkert på krafter som utövas av flödet av luft eller vatten.

    Medan tidigare forskning har undersökt svampens struktur, det har gjorts få studier av de hydrodynamiska fälten som omger och penetrerar organismen, och om, förutom att förbättra dess mekaniska egenskaper, skelettmotiven av E. Aspergillum ligger till grund för optimeringen av flödesfysiken inom och bortom dess kroppshålighet.

    Ett samarbete över tre kontinenter vid fysikens gränser, biologi, och teknik ledd av Giacomo Falcucci (från Tor Vergata University of Rome och Harvard University), i samarbete med Sauro Succi (Italian Institute of Technology) och Maurizio Porfiri (Tandon School of Engineering, New York University) tillämpade superberäkningsmuskler och speciell programvara för att få en djupare förståelse för dessa interaktioner, skapa en första simulering någonsin av djuphavssvampen och hur den reagerar på och påverkar flödet av närliggande vatten.

    Arbetet, "Extrema flödessimuleringar avslöjar skelettanpassningar av djuphavssvampar, " publicerad i tidskriften Natur , avslöjade ett djupt samband mellan svampens struktur och funktion, belyser både korgsvampens förmåga att motstå de dynamiska krafterna i det omgivande havet och dess förmåga att skapa en näringsrik virvel i kroppshålighetens "korg".

    "Denna organism har studerats mycket ur mekanisk synvinkel på grund av dess fantastiska förmåga att deformeras avsevärt trots sin spröda, glasinstruktur, "sa författaren Giacomo Falcucci från Tor Vergata University of Rome och Harvard University." Vi kunde undersöka aspekter av hydrodynamik för att förstå hur svampens geometri ger ett funktionellt svar på vätska, att producera något speciellt med avseende på interaktion med vatten."

    "Genom att utforska vätskeflödet i och utanför svampens kroppshålighet, vi upptäckte fotavtrycken av en förväntad anpassning till miljön. Svampens struktur bidrar inte bara till ett minskat drag, men det underlättar också skapandet av virvlar med låg hastighet i kroppshålan som används för matning och reproduktion", tillade Porfiri, en medförfattare till studien.

    Strukturen av E. Aspergillum, reproducerad av medförfattaren Pierluigi Fanelli, vid universitetet i Tuscia, Italien, liknar en delikat glasvas i form av en tunnväggig, cylindriskt rör med ett stort centralt atrium, kiselhaltiga spicules - alltså deras vanliga benämning, "glassvampar." Spikulerna är sammansatta av tre vinkelräta strålar, ger dem sex poäng. De mikroskopiska spiklarna "väver" ihop för att bilda ett mycket fint nät, vilket ger svampens kropp en styvhet som inte finns hos andra svamparter och gör att den kan överleva på stora djup i vattenpelaren.

    För att förstå hur Venus blomkorgssvampar gör detta, teamet använde i stor utsträckning Marconi100-datorn i exascale-klassen vid CINECAs högpresterande datorcenter i Italien, som kan skapa omfattande simuleringar med hjälp av miljarder dynamiska, temporospatiala datapunkter i tre dimensioner.

    Forskarna utnyttjade också speciell programvara som utvecklats av studiens medförfattare Giorgio Amati, av SCAI (Super Computing Applications and Innovation) vid CINECA, Italien. Programvaran möjliggjorde superberäkningssimuleringar baserade på Lattice Boltzmann-metoder, en klass av beräkningsmetoder för vätskedynamik för komplexa system som representerar vätska som en samling partiklar och spårar beteendet hos var och en av dem.

    In-silico-experimenten, med cirka 100 miljarder virtuella partiklar, reproducerade de hydrodynamiska förhållandena på djuphavsbotten där E. Aspergillum lever. Resultat som bearbetats av Vesselin K. Krastev vid Tor Vergata universitet i Rom gjorde det möjligt för teamet att utforska hur organiseringen av hål och åsar i svampen förbättrar dess förmåga att minska krafterna som anbringas av rörligt havsvatten (en maskinteknisk fråga formulerad av Falcucci och Succi) , och hur dess struktur påverkar dynamiken i flödet i svampkroppens hålighet för att optimera selektiv filtermatning och möten med könsceller för sexuell reproduktion (en biologisk fråga formulerad av Porfiri och en biologexpert på ekologiska anpassningar hos vattenlevande varelser, medförfattare Giovanni Polverino från Center for Evolutionary Biology vid University of Western Australia, Perth).

    "Detta arbete är en exemplifierande tillämpning av diskret vätskedynamik i allmänhet och Lattice Boltzmann -metoden, särskilt, "sa medförfattaren Sauro Succi från Italian Institute of Technology och Harvard University. Sauro Succi är internationellt erkänt som en av fäderna till Lattice Boltzmann-metoden." Metodens noggrannhet, kombinerat med tillgång till en av de bästa superdatorerna i världen gjorde det möjligt för oss att utföra beräkningsnivåer som vi aldrig tidigare försökt, som kastar ljus över vätskeflödenas roll i anpassningen av levande organismer i avgrunden."

    "Vår undersökning av svampens geometris roll för dess svar på vätskeflödet, har många konsekvenser för utformningen av höghus eller, verkligen, någon mekanisk struktur, från skyskrapor till nya strukturer för fartyg med låg dragkraft, eller flygplanskroppar, "sa Falcucci." Till exempel, blir det mindre aerodynamiskt drag på höghus byggda med liknande gallerverk av åsar och hål? Kommer det att optimera fördelningen av applicerade krafter? Att ta itu med just dessa frågor är ett nyckelmål för laget."


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com