Venus blomkorgsvamp, med sitt ömtåliga glasliknande yttre skelett, har länge fascinerat forskare som försöker förklara hur denna ömtåliga varelse kropp kan motstå de svåra förhållandena i djuphavet där den lever.
Nu avslöjar ny forskning ännu en teknisk bedrift av detta uråldriga djurs struktur:dess förmåga att filtrera foder med endast de svaga omgivande strömmarna på havsdjupen, ingen pumpning krävs.
Denna upptäckt av naturlig "nollenergi" flödeskontroll av ett internationellt forskarlag som leds av University of Rome Tor Vergata och NYU Tandon School of Engineering kan hjälpa ingenjörer att designa effektivare kemiska reaktorer, luftreningssystem, värmeväxlare, hydrauliska system, och aerodynamiska ytor.
I en studie publicerad i Physical Review Letters , fann teamet genom extremt högupplösta datorsimuleringar hur skelettstrukturen hos Venus blomkorgsvamp (Euplectella aspergillum) avleder mycket långsamma djuphavsströmmar för att flöda uppåt in i dess centrala kroppshålighet, så att den kan livnära sig på plankton och annat marint skräp den filtrerar bort ur vattnet.
Svampen tar bort detta via sin spiralformade, räfflade yttre yta som fungerar som en spiraltrappa. Detta gör att den passivt kan dra vatten uppåt genom sin porösa, gallerliknande ram, allt utan energikraven från pumpning.
"Vår forskning löser en debatt som har dykt upp under de senaste åren:Venus blomkorgsvamp kanske kan dra in näringsämnen passivt, utan någon aktiv pumpmekanism", säger Maurizio Porfiri, professor vid NYU Tandon Institute och chef för dess Center for Urban Science + Progress (CUSP), som ledde studien och medövervakade forskningen. "Det är en otrolig anpassning som gör att den här filtermataren kan frodas i strömmar som normalt är olämpliga för suspensionsmatning."
Vid högre flödeshastigheter hjälper gitterstrukturen till att minska motståndet på organismen. Men det är i nästan stillheten på de djupa havsbottnarna som detta naturliga ventilationssystem är mest anmärkningsvärt, och visar hur väl svampen rymmer sin hårda miljö. Studien fann att svampens förmåga att passivt dra in mat endast fungerar vid de mycket låga strömhastigheterna – bara centimeter per sekund – av dess livsmiljö.
"Ur ett ingenjörsperspektiv visar svampens skelettsystem anmärkningsvärda anpassningar till sin miljö, inte bara ur en strukturell synvinkel, utan också för vad som rör dess vätskedynamiska prestanda", säger Giacomo Falcucci vid Tor Vergata University of Rome och Harvard University, tidningens första författare.
Tillsammans med Porfiri ledde Falcucci studien, övervakade forskningen och designade datorsimuleringarna. "Svampen har kommit fram till en elegant lösning för att maximera näringstillförseln samtidigt som den fungerar helt genom passiva mekanismer."
Forskare använde den kraftfulla superdatorn Leonardo vid CINECA, ett superdatorcenter i Italien, för att skapa en mycket realistisk 3D-kopia av svampen, innehållande cirka 100 miljarder individuella punkter som återskapar svampens komplexa spiralformade åsstruktur. Denna "digitala tvilling" tillåter experiment som är omöjliga på levande svampar, som inte kan överleva utanför sin djuphavsmiljö.
Teamet utförde mycket detaljerade simuleringar av vattenflödet runt och inuti datormodellen av skelettet av Venus blomkorgsvamp. Med Leonardos enorma beräkningskraft, som tillåter kvadriljoner beräkningar per sekund, kunde de simulera ett brett spektrum av vattenflödeshastigheter och förhållanden.
Forskarna säger att de biomimetiska ingenjörsinsikterna de avslöjade kan hjälpa till att vägleda designen av effektivare reaktorer genom att optimera flödesmönster inuti samtidigt som luftmotståndet minimeras. Liknande räfflade, porösa ytor kan förbättra luftfiltrering och ventilationssystem i skyskrapor och andra strukturer. De asymmetriska, spiralformade åsarna kan till och med inspirera till skrov eller flygkroppar med låg dragkraft som förblir strömlinjeformade samtidigt som de främjar inre luftflöden.
Studien bygger på teamets tidigare forskning om Venus blomkorgssvamp publicerad i Nature 2021, där den avslöjade att den hade skapat en första simulering någonsin av djuphavssvampen och hur den reagerar på och påverkar flödet av närliggande vatten.
