Животинската козина може да вдъхнови създаването на самопочистващи се повърхности (видео)

Наблюдавайте как муха каца на кухненската маса и първото нещо, което прави е да се почисти много, много внимателно. Въпреки че не винаги можем да го видим, повърхността на животните е покрита с прах, полен и дори неприятни акари, които могат да се заровят навътре в тялото им, ако не бъдат премахнати.

Поддържането на чистота може да е въпрос на живот и смърт. Всички животни, включително хората, подхождат точно толкова сериозно към самопочистването. Всяка година, ние изразходваме време равняващо се на цял ден само в миене на ръцете си и още две седмици в чистене на домовете си. Чистенето може да е фундаментално за живота, точно колкото храненето, дишането и размножаването.

И въпреки това, някак си, на чистенето почти не се обръща внимание.

В обзорната статия в Journal of Experimental Biology, авторите разглеждат как се извършва чистенето в природата и какви принципи използват животните при почистването си. Те разглеждали микроскопски изображения и определили броя и размера на косъмчетата сред стотици различни животни. За да оформят обзорната статия учените са взели предвид над 100 статии посветени на почистването в природата, като са се опитали да използват точни данни за процеса на почистване.

Екстраполирането на принципи е важна стъпка в науката и е дори още по-важно при инженерството. Намирането на по-добри начини за почистване не само ще ни позволи да разберем домашната муха, но може да ни позволи да разработим нов тип устройства, които се поддържат чисти по-дълго.

Космената покривка многократно повишава повърхността на тялото.

За да разберем как животните се почистват, първо трябва да разберем как се цапат. Прахът се натрупва по външната част на животното, като чисто последствие от неговото съществуване. Повърхността на тялото на определено животно не се изчислява толкова лесно, колкото да се измерят размерите на картонена кутия. Повечето животни, от комари до слонове, са космати. Над външната част на кожата на съществото, косъмчетата осигуряват допълнителна повърхностна площ, по която може да се събере мръсотия.

Учените установили, че средно, космената покривка повишава видимата повърхност на тялото около 100 пъти. Така, котката има повърхностната площ на тенис маса. (това обяснява защо е толкова трудно да почистим домашните си любимци). Чинчилата има повърхността на цял джип. А морските видри - на цяла хокейна пързалка. Това се дължи на особената плътност на космената покривка при последните две животни.

Хората имаме около 100 000 косъма по главата си. Броят на космите при други животни е значително по впечатляващ. Пеперудата има 100 млрд. косъмчета, 10 пъти повече от бобъра. Пчелата има 3 милиона косъмчета, приблизително същия брой като при катеричка.

Освен това, по животните има много различни типове косми, както и ние имаме различни прически. Животните имат трихи, бодли, макротрихи, сети, люспи, косми с различна форма, размер и функция. Едно нещо обаче е сигурно: космената покривка повишава повърхността на тялото и така значително влошава проблема с почистването. Кое ще ви е по-лесно да почистите - балатум или дебел мокет?

Космите като почистващ апарат

За да почистят телата си, почти всички насекоми имат космати крака, като всеки от тях наподобява прахочистачка. Наблюденията на това как краката контактуват с космите по тялото разкрива едно изненадващо свойство на космите. Учените използвали високо-скоростна камера, за да наблюдават как плодовата мушица почиства главата си с крачета. Частичките прикрепени към космите по тялото били катапултирани с около 1 000 пъти ускорението на гравитацията - доста по-бързо, отколкото мухата може да движи който и да е от крайниците си. Косъмчетата, които първоначално са действали като площадка за приземяване за праха, в този случай действат като катапулт, който се задейства от контакта с косматите крачета. движещи се над тях.

Ефективното почистване не се състои само в простото разработване на добро средство за почистване. Много важно е да се разработи повърхност, която да подпомага процеса на чистене. И често тези повърхности в природата надминават и най-смелите ни фантазии.

Учените са установили два основни принципа при почистването. Първият е невъзобновяемата почистваща стратегия - тя използва енергийните ресурси на самото животно. Примери за това са четкането, което е сходно с изсмукването на прах от килима и изисква енергия, която да движи четката.

Друг пример е изтръскването на мокро куче: в този случай не се използва конкретен инструмент за почистване, а вместо това се използва инерцията на тялото. Мокрото куче върти тялото си с висока скорост, точно както пералнята в цикъл на центрофугиране. Частиците и капчиците излитат, изразходвайки енергията на кучето по време на процеса.

Съществува и алтернатива: възобновяемите стратегии за почистване - те не изискват енергия от самото животно и реално са безплатни. Един от примерите са миглите, косми подредени в кръг обграждащ окото. Когато се движим напред, въздушният поток генериран от миглите понижава натрупването на частици около окото цели два пъти, всравнение с око без мигли. Така само поради наличието на миглите можем да мигаме два пъти по-рядко, спестявайки си по този начин енергия за други нужди.

Друг пример са миниатюрните игленици по крилете на цикадата. Бактериите са като водни балони и при контакт с игличките те просто експлодират. Освен това, водните капчици, се търкалят по космената покривка на животните, извличайки част от мръсотията по пътя си и оставяйки чистата след себе си.

Повърхност + Енергия + Поведение = Чистота

Как се почистват животните е функция на повърхността на животното, неговото поведение и енергията, която то добива от околната среда. Животното се почиства безплатно, ако има подходящия тип повърхност. С тази нагласа, вероятно можем да разработим нови устройства, които също да се самопочистват без влагане на енергия.

Да вземем предвид соларните панели: Точно както окото, те трябва да допускат светлината. Но те губят почти 7% от енергията годишно, поради акумулиране на прах. Най-високотехнологичното решение е гъбата. Само като се замислим, че компютърната ера ни е изпратила светлинни години пред нашите предци по отношение на комуникацията, докато в същия момент, методите ни за почистване не са се променили съществено.

Изображение получено чрез сканираща електронна микроскопия на окото на медоносна пчела. (Източник: Georgia Tech, CC BY)

Представете си соларни панели разработени като очите на насекомо. Тънки филаменти могат да се поставят на определени интервали, за да обират праха над панела, но все пак да позволяват на светлината да прониква. Почистването на панела в този случай ще изисква само измитането му с друга четка. Точно както при насекомите, панелът може да се почиства без използването на вода или химикали. По сходен начин, видеокамерите, които са очите на работите ни, могат да са оградени с мигли, което да понижи отлагането на прах. Изграждането на синтетични космени системи е обект на изследване на проект на Националната Научна Фондация, наречен Разработване на Очи на Насекоми.

Обикновено си представяме бъдещите роботи да са покрити с гладка лъскава повърхност, като хромиран автомобил. Но в природата, гладките повърхности се срещат много рядко. Бъдещите маси, например, може да имат наноизрастъци, които стърчат и убиват бактериите при контакт с тях. Роувърите по планети и астероиди може да са покрити с косъмчета, които контактуват с околната среда, премахват частиците и позволяват лесно почистване. Всъщност, бъдещето може да се окаже много по-космато, отколкото очакваме.

Източник: The Conversation

Още по темата

17/10/2015

Защо

Защо мухите потъркват крачетата си? (видео)