Les intestins de requin inspirent de nouveaux designs de flux de fluides

Les requins et les raies ont des intestins uniques qui sont différents de ceux des humains. Au lieu d'être longs et droits, leurs intestins sont enroulés en formes hélicoïdales. Ce design pourrait les aider à faire passer la nourriture dans leur système digestif de manière plus efficace. Dans notre recherche, on a fait des modèles de ces intestins hélicoïdaux en utilisant la technologie d'impression 3D. On a créé ces modèles avec des matériaux durs et souples pour voir comment leurs formes affectent l'écoulement des fluides.

On s'est concentrés sur la compréhension de la façon dont ces formes torsadées à l'intérieur des intestins peuvent créer un écoulement inégal. Ça veut dire que le fluide peut avancer plus vite dans une direction que dans l'autre. On a découvert que nos modèles montraient des différences d'écoulement plus importantes que les appareils traditionnels conçus pour créer des effets similaires, appelés vannes Tesla. Quand on utilisait des matériaux plus souples, les différences d'écoulement augmentaient encore plus. En fait, l'écoulement était sept fois plus important dans les modèles souples par rapport à ceux durs. De plus, on a fabriqué une version imprimée en 3D de l'intestin d'un requin dogfish et on a constaté qu'elle produisait des différences d'écoulement similaires à celles des vannes Tesla traditionnelles.

Les intestins des requins ne reçoivent peut-être pas autant d'attention que leurs dents, mais ils sont vraiment fascinants. Les structures internes de ces intestins sont censées aider à améliorer l'absorption des nutriments en augmentant la surface. Des découvertes récentes ont montré que ces formes hélicoïdales causent aussi un écoulement inégal, permettant à la nourriture de passer plus efficacement dans les intestins. Quand on a regardé différentes espèces de requins, l'écoulement des liquides épais à travers leurs intestins était plus rapide dans la direction avant que dans l'arrière, ce qui veut dire qu'il fallait moins de mouvements musculaires pour pousser la nourriture à travers.

Une énigme dans cette étude est de savoir comment ces intestins hélicoïdaux peuvent créer un écoulement inégal, surtout puisque les dispositifs d'écoulement traditionnels fonctionnent souvent mieux avec des fluides à haute vitesse ou à faible viscosité. Dans notre cas, les fluides dans les intestins de requins sont épais et avancent lentement. Ça a impacté notre façon de regarder l'écoulement. On pensait que la nature flexible des intestins pourrait les aider à travailler efficacement à ces vitesses lentes.

Pour comprendre ça, on a fabriqué divers modèles imprimés en 3D de tuyaux hélicoïdaux, en ajustant des facteurs comme la torsion, la taille des trous, l'angle d'inclinaison, et le nombre de torsions. On a testé ces modèles pour voir comment ils influençaient l'écoulement des fluides. Nos résultats ont révélé que beaucoup de ces designs créaient une différence d'écoulement significative.

Nos modèles rigides créaient des différences d'écoulement impressionnantes, dépassant souvent celles observées dans les vannes Tesla traditionnelles. En fait, nos expériences ont montré que les différences d'écoulement qu'on a mesurées étaient plus grandes que celles généralement rapportées pour ces vannes. Seuls quelques modèles expérimentaux dans le passé ont réussi à obtenir des différences d'écoulement aussi remarquables sans utiliser de pièces mobiles.

Pour explorer davantage ces idées, on a créé des modèles en utilisant des matériaux souples, ce qui a conduit à des différences d'écoulement encore plus grandes. On a remarqué que la déformation de nos modèles flexibles impactait leur performance, entraînant des différences d'écoulement bien meilleures que celles des modèles rigides.

On a conçu une série de tuyaux hélicoïdaux inspirés des intestins des requins. La structure extérieure était faite d'un matériau résistant pour rester stable, tandis que la partie interne torsadée était plus fine et faite d'un matériau plus flexible. Cette combinaison nous a permis de tester comment changer la forme et la flexibilité affectait l'écoulement des fluides.

On a mesuré l'écoulement à travers ces modèles en comparant la facilité avec laquelle le fluide circulait dans les tuyaux hélicoïdaux dans les deux directions, avant et arrière. Les différences qu'on a trouvées dans les taux d'écoulement ont montré que le design comptait vraiment quand il s'agissait d'atteindre un écoulement inégal.

Quand on a examiné des caractéristiques spécifiques des tuyaux hélicoïdaux, comme la taille de la torsion, le rayon des trous, l'angle et le nombre de tours, on a découvert que modifier ces éléments changeait les motifs d'écoulement de manière significative. On a soigneusement mesuré comment le changement de ces caractéristiques impactait le mouvement des fluides dans nos tests.

Les tuyaux hélicoïdaux qu'on a créés étaient conçus avec des caractéristiques géométriques spécifiques. Par exemple, la taille de la torsion définissait à quel point l'hélice serait raide, et le rayon du trou déterminait combien d'espace il y avait pour le fluide. On a aussi modifié l'angle d'inclinaison des tuyaux, ce qui changeait la direction de l'écoulement du fluide.

Les résultats les plus fascinants sont venus quand on a testé les modèles souples et flexibles. Les changements de forme de ces modèles ont conduit à des différences d'écoulement encore plus grandes que celles qu'on avait vues dans les modèles durs. Cela indiquait que la façon dont les tuyaux étaient conçus et les matériaux utilisés avaient un impact significatif sur leur performance.

Dans l'ensemble, nos modèles hélicoïdaux imprimés en 3D ont montré une performance impressionnante, dépassant les designs traditionnels en matière de direction de l'écoulement des fluides. Les modèles flexibles ont démontré un avantage encore plus significatif, suggérant que ce type de structures pourrait être bénéfique dans diverses applications, des systèmes biologiques aux dispositifs artificiels.

Il y a des implications pratiques pour ce travail. La capacité à contrôler la direction de l'écoulement des fluides a de nombreuses applications, notamment dans les dispositifs médicaux qui imitent les processus biologiques ou dans les systèmes industriels qui nécessitent un transport efficace des liquides. Nos découvertes suggèrent que s'inspirer de la nature, comme le design des intestins de requins, peut mener à de nouvelles avancées dans la technologie d'écoulement des fluides.

En regardant vers l'avenir, les prochaines étapes impliquent de tester et de développer des matériaux encore plus souples qui pourraient créer des différences d'écoulement encore plus grandes. Cela pourrait ouvrir la voie à des designs plus efficaces et à des applications dans divers domaines, élargissant le potentiel des technologies biomimétiques inspirées des structures uniques trouvées dans la nature.

La recherche a apporté des réponses à trois questions clés : Les tuyaux hélicoïdaux fonctionnent-ils efficacement comme dispositifs d'écoulement ? Quels facteurs de conception maximisent les différences d'écoulement ? Et comment la capacité à se déformer améliore-t-elle ces différences ?

Notre recherche indique que les tuyaux hélicoïdaux peuvent créer des différences d'écoulement significatives, dépassant souvent les vannes Tesla traditionnelles. Les facteurs de conception jouent certainement un rôle, et la flexibilité des matériaux utilisés renforce leur efficacité.

Ainsi, on découvre que l'ingénierie inspirée par le monde naturel peut nous mener à de nouvelles solutions et innovations. Alors qu'on continue d'explorer ces concepts, on est impatient de voir plus d'applications pour les modèles souples et flexibles et leur capacité à gérer l'écoulement des fluides dans des systèmes dynamiques et complexes.