Känslan av en nålstickande hud är bekant för de flesta, särskilt nyligen som covid-19-vaccinationer tar fart. Men vad händer egentligen när en nål sticker hål på huden? Svaret avslöjas i en ny tidning som nyligen publicerades i Journal of the Mechanics and Physics of Solids.

Mattia Bacca, biträdande professor vid University of British Columbia, söker ofta till den naturliga världen för att få svar när han står inför ett maskintekniskt problem – som hur en gecko kan hålla fast vid en yta med kuddarna på tårna, eller en myra kan skära igenom ett löv som är många gånger så stort.

Bioinspirerad ingenjörskonst hjälpte Dr. Bacca, tillsammans med Ph.D. kandidat Stefano Fregonese, för att svara på den tidigare olösta frågan om hur mekaniken för piercing fungerar på mjuka material, som hud.

"Klippning är allestädes närvarande i vår överlevnad och dagliga liv, Bacca förklarar. "När vi tuggar mat, vi skär vävnad för att göra den smältbar. Nästan alla arter i djurriket utvecklades med förmågan att skära vävnad för att mata och försvara, har därför förvärvat anmärkningsvärda morfologiska och fysiska egenskaper för att möjliggöra denna process effektivt."

De skapade en mekanisk teori för att bestämma den kritiska kraft som krävs för nålinsättning - det centrala fenomenet punktering. Deras arbete ger en enkel, semi-analytisk modell för att beskriva processen, från dimensionella argument till finita elementanalys.

Mekanismer involverade i att skära mjukvävnad har bara fått uppmärksamhet inom teknik under de senaste decennierna, inledningsvis med undersökningar av gummis egenskaper. Tidigare tillvägagångssätt bestämde kraften som behövs för att sätta in en nål i vävnaden efter dess första punktering, med hjälp av fysiska experiment som inte helt kunde mäta deformationerna och de komplexa felmekanismerna som är involverade i att bryta igenom ytan på ett mjukt material.

I kontrast, den nya modellen skapad av Fregonese och Bacca kan äntligen förutsäga punkteringskraften och validera detta med tidigare experiment. De upptäckte att nålinsättningskraften är proportionell mot vävnadens seghet och fjälls omvänt med nålens radie - vilket betyder att tunnare nålar kräver mindre kraft. Även om båda dessa observationer är intuitiva, de gav kvantitativa förutsägelser. Vad är kontraintuitivt, dock, är rollen av materiell styvhet i denna process. Vävnadsstyvheten skalar omvänt med punkteringskraften, med mjukare vävnad som kräver högre kraft (med samma seghet). UBC-teamet utför för närvarande ytterligare experiment och modellförbättringar för att komma "djupare" in i fysiken i detta problem.

Än så länge, deras resultat kommer från olika förfrågningar om djurlösningar. I början, Fregonese gick med Dr. Baccas Micro &Nano Mechanics Lab för ett projekt relaterat till mekaniken för vidhäftning hos djur som geckos. Att utforska överlappningar med detta område och problemet med skärning, de började undersöka grunderna för skärning och kopplingen till den morfologiska utvecklingen av djur, med ett internationellt samarbete> studerar lövskärningsmyror med djurbiomekanikexperten Dr. David Labonte (Imperial College), och muskelfysiologiexperten Dr. Natalie Holt (University of California). De samarbetade också med UBC Okanagans Dr Kevin Golovin och maskinteknikkollegan Dr Gwynn Elfring för att undersöka interaktionen mellan ballistik och geler.

Deras nya teoretiska modell kan hjälpa ingenjörer att utveckla olika applikationer såsom skyddsutrustning, automationsprocesser som involverar mat och den framväxande tekniken för robotkirurgi.

Det kan också påverka hur människor upplever injektioner i framtiden, något att tänka på för personer som nyligen har ställt upp för att få sin covid-19-vaccination. Till exempel, Framtida teknologi kan erbjuda alternativ som självadministrerade engångsdynor beväpnade med mikronålar – som de designade av UBC:s Dr. Boris Stoeber – utformade för att tränga igenom huden på rätt djup och med rätt kraft.