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    Il disco di aspirazione ispirato a Remora imita la capacità di adesione dei pesci, offre una visione evolutiva

    Credito:New Jersey Institute of Technology

    I pesci Remora sono famosi autostoppisti del mondo marino, possiedono dischi di aspirazione ad alta potenza sulla parte posteriore della testa per attaccarsi in modo simile a un siluro a ospiti più grandi che possono fornire cibo e sicurezza, da balene e squali a barche e subacquei.

    La chiave dell'adesione della remora sono le ben note capacità del disco di generare aspirazione, così come l'attrito creato da ossa appuntite all'interno del disco chiamate lamelle per mantenere la presa sul suo ospite. Però, i fattori che guidano l'evoluzione della morfologia del disco unica di remora sono sfuggiti a lungo ai ricercatori che cercano di capire, e persino progettare nuovi dispositivi e adesivi che imitano, la straordinaria capacità del pesce di agganciarsi a vari tipi di superficie senza danneggiare l'ospite o spendere molta energia, spesso per ore alla volta sotto le estreme forze oceaniche.

    In uno studio condotto presso il New Jersey Institute of Technology (NJIT), i ricercatori hanno presentato un nuovo disco remora ispirato alla biologia in grado di replicare le forze passive di aspirazione e attrito che alimentano l'abilità del pesce, dimostrando fino al 60% di tenuta in più rispetto a quanto misurato per le remore vive attaccate alla pelle di squalo.

    Utilizzando il modello del disco per esplorare i driver evolutivi del disco della remora, i ricercatori affermano che i risultati dello studio forniscono la prova che le specie viventi odierne di remora hanno evoluto un numero maggiore di lamelle nel tempo per migliorare il loro potere di ritenzione e la capacità di attaccarsi a una gamma più ampia di ospiti con superfici più lisce, aumentando così le loro possibilità di sopravvivenza.

    Fossile di Opisthomyzon glaronensis con sei lamelle (in alto) e vista dorsale di un moderno disco di remora con più file di lamelle (in basso). Secondo Brooke Flammang, professore di scienze biologiche presso NJIT, mentre gli scienziati hanno fatto luce sulle origini della struttura modificata delle pinne della remora, gli aspetti fondamentali dell'evoluzione del disco sono rimasti in gran parte poco chiari. Credito:Matt Friedman, Università del Michigan e Brooke Flammang, Istituto di tecnologia del New Jersey

    Lo studio, in primo piano Bioispirazione e Biomimetica , indica che il modello del disco può essere utilizzato per informare la progettazione di un più efficace, tecnologie adesive a basso costo in futuro.

    "La bellezza dietro il meccanismo adesivo della remora è che i tessuti biologici svolgono intrinsecamente la maggior parte del lavoro, " ha detto Brooke Flammang, professore di scienze biologiche al NJIT che ha guidato lo studio. "L'aspetto più significativo di questa ricerca è che il nostro disco robotico si basa completamente sulla fisica fondamentale che guida il meccanismo adesivo nelle remore, permettendoci di determinare prestazioni biologicamente rilevanti e ottenere informazioni sull'evoluzione del disco della remora. In precedenza ciò non era possibile con i progetti precedenti che richiedevano un operatore umano per controllare il sistema".

    Divergendo da molti dei loro antenati simili a spazzini più vicini, come cobia (Rachycentron canadum), si ritiene che il pesce remora (della famiglia Echeneidae) abbia iniziato ad attaccarsi ad ospiti con superfici ruvide, simile agli squali, dopo aver evoluto il suo disco di aspirazione dalle spine della pinna dorsale quasi 32 milioni di anni fa. Il disco delle remore viventi oggi presenta un labbro esterno carnoso e morbido per l'aspirazione, mentre l'interno del disco ospita molte più file lineari di tessuto (lamelle) con proiezioni di tessuto simili a denti (spinule), che il pesce solleva per generare attrito contro vari corpi ospiti per evitare di scivolare durante l'autostop.

    Secondo Flammang, mentre gli scienziati hanno fatto luce sulle origini della struttura modificata delle pinne della remora, gli aspetti fondamentali dell'evoluzione del disco sono rimasti in gran parte poco chiari.

    Dimostrazione del modello del disco ispirato alla remora e della funzionalità delle lamelle. Attestazione:NJIT

    "L'evoluzione del disco della remora è in gran parte sconosciuta, " disse Flammang. "C'è una remora fossile, Opistomizon, nella documentazione fossile che ha un disco con meno lamelle [rispetto alle odierne remore] senza spinule verso la parte posteriore della testa."

    Flammang dice che questo solleva due domande:"come" e "perché".

    "Il 'come' viene dalla pinna dorsale, sebbene non siano noti gli stadi evolutivi intermedi, " ha spiegato Flammang. "Se si guarda a una filogenesi delle remore mostra che quelle specie che si pensa siano più derivate hanno più lamelle ... il 'perché' è stato ipotizzato per le prestazioni adesive, ma questo non è mai stato testato prima di questo documento."

    Per saperne di più, Kaelyn Gamel, primo autore dello studio ed ex ricercatore laureato nel laboratorio Flammang, ha progettato un disco ispirato alla remora da materiali stampati in 3D disponibili in commercio che potrebbero mantenere autonomamente l'attaccamento a varie superfici ed essere modificato aggiungendo e rimuovendo lamelle, consentendo al team di studiare le prestazioni dell'aumento del numero lamellare sull'adesione al taglio.

    Immagine del disco remora bioispirato del team con lamelle modificabili, costruito utilizzando materiali stampati in 3D a base di resina. Credito:New Jersey Institute of Technology

    "La capacità del nostro disco di aggiungere e rimuovere lamelle agendo come un sistema passivo ci ha permesso di modificare la quantità di attrito insieme alla pressione ambientale all'interno del disco, " disse Gamel, ora un dottorato di ricerca ricercatore presso l'Università di Akron. "Siamo stati in grado di confrontare la differenza tra nessun attrito, un po' di attrito e molto attrito in base alla variazione del numero di lamelle."

    In collaborazione con Austin Garner, un ricercatore presso l'Università di Akron, il team ha condotto test di estrazione con il loro modello di disco sott'acqua, sperimentando il numero lamellare del modello (fino a 12 lamelle) per misurare la forza di taglio e il tempo impiegato per estrarre il disco da stampi in silicone con superfici che vanno da completamente lisce a quelle che superano la rugosità della pelle di squalo (grana 350, grana 180 e grana 100).

    Globale, il team ha scoperto che le prestazioni adesive del loro disco erano fortemente correlate con un aumento delle lamelle del disco, osservando un "punto debole" nella potenza di aspirazione tra le nove e le 12 lamelle. Quando modificato a 12 lamelle e 294 spinule, il disco della squadra pesava solo 45 grammi e ha resistito a forze di 27 N (newton) per 50 secondi, quasi tre volte la forza che normalmente farebbe uscire una remora da uno squalo. I test hanno anche rivelato che erano necessarie almeno sei lamelle, il numero trovato casualmente sul fossile di Opisthomyzon di 32 milioni di anni, per mantenere l'adesione.

    "Ciò che colpisce di più di questi risultati è che per una data forma del disco, esiste un intervallo ottimale in cui i fenomeni di attrito e aspirazione sono bilanciati, e [poiché le loro dimensioni del disco sono diventate più lunghe] le remore si sono evolute per mantenere questo punto debole di adesione ad alte prestazioni, " ha spiegato Flammang.

    Il team ora afferma che il loro modello di disco remora verrà utilizzato per futuri studi evolutivi per scoprire se l'aspirazione o l'attrito predominavano sull'attaccamento nei primi antenati remora e in che modo l'evoluzione della forma del disco influisce sull'adesione. Il disco può anche avere applicazioni ingegneristiche in tutto, dai biosensori medici e dispositivi per la somministrazione di farmaci ai tag di rilevamento geografico per studi ecologici e monitoraggio della vita marina." Uno dei maggiori vantaggi del nostro design è che funziona in modo autonomo perché si basa solo sulla fisica del sistema per il funzionamento, " ha affermato Flammang. "Questo lo rende facilmente scalabile per una moltitudine di nuove tecnologie, sia per scopi medici che scientifici”.

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