Svelato il segreto dell’aerodinamica degli squali, nuotatori veloci ed efficaci. Sono le micro-scaglie disposte sulla superficie della pelle a permettere loro di nuotare velocemente risparmiando energie preziose. In uno studio effettuato presso l’Harvard University e pubblicato su Journal of Experimental Biology, i ricercatori sono riusciti per la prima volta a riprodurre in laboratorio un pezzo di pelle di squalo sintetica e hanno dimostrato che i micro-dentelli di collagene presenti sulla superficie sono in grado non solo di ridurre l’attrito dell’acqua e di conseguenza il consumo energetico durante il nuoto, ma anche di creare un aumento della spinta propulsiva di circa il 6%.
L’originale: la pelle dello squalo mako
La pelle dello squalo ha una struttura molto complessa, costituita da una serie di micro-dentelli di collagene flessibili che si sovrappongono in modo regolare e che contribuirebbero alle dinamiche di movimento di questi pesci. Cercare di ricostruire questa struttura in laboratorio finora si è rivelato impossibile. Per risolvere questo problema, gli studiosi americani hanno utilizzato un approccio diverso. Innanzitutto, hanno fatto una scansione ad alta risoluzione della pelle di uno squalo mako comperato al mercato per evidenziare le micro-scaglie affilate presenti su di essa. Successivamente, hanno costruito un modello computerizzato di una singola scaglia e l’hanno moltiplicata milioni di volte.
La copia in 3D
Per produrre in laboratorio un pezzo di questa pelle con tutte le micro-scaglie si sono serviti di una stampante 3D e hanno usato diversi materiali flessibili al fine di ricostruire una struttura simile alla pelle di squalo in cui i dentelli erano incorporati in un materiale flessibile ed erano organizzati in modo da sovrapporsi l’uno all’altro.
“Ci è voluto oltre un anno di tentativi in cui sono stati provati materiali diversi, vari protocolli di stampa e cambiamenti della spaziatura e della sovrapposizione dei dentelli prima di riuscire ad ottenere una struttura tridimensionale convincente che somigliasse alla vera pelle dello squalo” , racconta George Lauder, responsabile dello studio. “Vedere la prima immagine ottenuta con il microscopio elettronico a scansione della pelle artificiale è stato un momento emozionante”.
Il test in acqua
Per verificarne la funzionalità in acqua, i ricercatori hanno attaccato un pezzo di pelle artificiale ai due lati di una lamina flessibile retta da un braccio robotico che poteva essere tenuta ferma o “mossa” in una vasca di acqua, in modo da mimare un pesce che nuota. Usando una serie di test dinamici con laser e telecamere ad alta velocità, hanno misurato le forze esercitate dall’acqua sulla lamina in posizione stazionaria o in movimento paragonandole a quelle ottenute sulla lamina senza la pelle.
In condizioni statiche, a bassa velocità di flusso dell’acqua, la pelle sintetica con le micro-scaglie riduceva la resistenza dell’acqua sulla lamina dell’8.7%, mentre ad alte velocità di flusso (0.6m/s) la aumentava del 15% rispetto alla membrana nuda. Quando la lamina era agitata con un movimento laterale di 1 cm e una frequenza di 1.5 Hz per mimare uno squalo che nuota, le prestazioni aumentavano in maniera significativa. Infatti, la velocità di nuoto aumentava del 6.6% e il consumo energetico si riduceva del 5.9%.
Un costume da squalo
Secondo Lauden, questa è la prima volta che qualcuno è riuscito a misurare il consumo energetico della pelle di uno squalo, sebbene sintetica, e a calcolare la riduzione energetica che una costituzione a scaglie offre rispetto a una struttura liscia. Le applicazioni di una struttura di questo tipo sono molteplici e vanno dalle mute dei nuotatori, fino alle ali degli aeroplani.
Tuttavia, per godere dei vantaggi aerodinamici della pelle sintetica di squalo, saranno necessari notevoli sforzi tecnologici, in quanto non bastano le micro-scaglie ad aumentare l’efficienza del nuoto, ma esse devono essere inserite su un substrato flessibile, che possa mimare la capacità della pelle dello squalo di piegarsi e distendersi durante il nuoto. “Per questo motivo”, conclude l’autore, “bisognerà aspettare ancora un bel po’ prima di essere in grado di produrre e usare costumi fatti di pelle di squalo che ci faranno nuotare più velocemente e con meno fatica”.
Riferimenti: Journal of Experimental Biology doi:10.1242/ jeb.097097
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Credits immagine: Ken Bondy/Flickr
E’ mai possibile che non venga data alcuna possibile ragione fisica dell’effetto osservato? Forse formazioni di moltissimi microvortici in luogo di pochi e grandi, tipo l’effetto di frastagliatura delle ali dei volatili o fossette nelle palle da golf?