Nuestros cuerpos están forrados en el interior con alfombras suaves y microscópicas de cabello, desde las extensiones cubiertas de hierba en nuestras papilas gustativas, hasta lechos difusos de microvellosidades en nuestros estómagos, hasta hebras de proteínas superfinas en nuestros vasos sanguíneos. Estas proyecciones peludas, ancladas a suavessuperficies, doblar y torcer con las corrientes de los fluidos en los que están inmersos.
Ahora los ingenieros del MIT han encontrado una manera de predecir cómo se doblarán esas capas de cabello tan pequeñas y suaves en respuesta al flujo de fluidos. A través de experimentos y modelos matemáticos, descubrieron que, como era de esperar, los pelos rígidos tienden a mantenerse erguidos en un fluidoflujo, mientras que los cabellos más elásticos y caídos ceden fácilmente a la corriente.
Sin embargo, hay un punto dulce en el que los pelos, doblados en el ángulo correcto, con una elasticidad ni demasiado suave ni rígida, pueden afectar el fluido que fluye a través de ellos. Los investigadores encontraron que tales pelos angulados se enderezan cuando fluye el fluidocontra ellos. En esta configuración, los pelos pueden ralentizar el flujo de líquido, como una rejilla levantada temporalmente.
Los resultados, publicados esta semana en la revista Física de la naturaleza , puede ayudar a iluminar el papel de las superficies peludas en el cuerpo. Por ejemplo, los investigadores afirman que los pelos en ángulo en los vasos sanguíneos y los intestinos pueden doblarse para proteger los tejidos circundantes del exceso de flujo de líquidos.
Los hallazgos también pueden ayudar a los ingenieros a diseñar nuevos dispositivos microfluídicos, como válvulas y diodos hidráulicos, pequeños chips que dirigen el flujo de fluido a través de varios canales, a través de patrones de pelos angulados pequeños.
"A escalas muy pequeñas, es muy difícil diseñar cosas con funcionalidades que se puedan cambiar", dice Anette Peko Hosoi, profesora y jefa de departamento asociada de operaciones en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT. "Estos pelos angulados se pueden usarpara hacer un diodo de fluido que cambie de alta resistencia a baja cuando el fluido fluye en una dirección versus otra ".
Hosoi es coautor del artículo, junto con el autor principal y el postdoc MIT José Alvarado, ex alumno de posgrado Jean Comtet, y Emmanuel de Langre, profesor del Departamento de Mecánica de la École Polytechnique.
De piel de gato a cepillos para el cabello
"Se ha realizado un gran trabajo a gran escala, estudiando fluidos como el viento que pasa por un campo de hierba o trigo, y cómo doblar o cambiar la forma de un objeto afecta la impedancia o el flujo de fluidos", dice Alvarado ".Pero ha habido muy poco trabajo a pequeña escala que pueda aplicarse a los pelos biológicos ".
Para investigar el comportamiento de los pelos muy pequeños en respuesta al fluido que fluye, el equipo fabricó lechos suaves de cabello cortando con láser pequeños agujeros en láminas de acrílico, luego llenó los agujeros con polímero líquido. Una vez solidificado, los investigadores eliminaron el polímerocamas de pelo de los moldes de acrílico.
De esta manera, el equipo fabricó varias capas de cabello, cada una del tamaño de una pequeña nota adhesiva. Para cada cama, los investigadores alteraron la densidad, el ángulo y la elasticidad de los pelos.
"Los más densos son comparables al pelo de gato de pelo corto, y los más bajos son como cepillos para el pelo de metal", dice Alvarado.
El equipo luego estudió la forma en que los pelos respondían al fluido que fluía, colocando cada lecho en un reómetro, un instrumento que consiste en un cilindro dentro de otro. Los científicos generalmente llenan el espacio entre los cilindros con un líquido, luego rotan el cilindro interno y midenel par generado cuando el líquido arrastra el cilindro exterior. Los científicos pueden usar este par medido para calcular la viscosidad del líquido.
Para sus experimentos, Alvarado y Hosoi alinearon el cilindro interno del reómetro con cada capa de cabello y llenaron el espacio entre los cilindros con un aceite viscoso similar a la miel. Luego, el equipo midió el torque generado, así como la velocidad del cilindro internospinning. A partir de estas mediciones, el equipo calculó la impedancia, o resistencia al flujo, creada por los pelos.
"Lo sorprendente es lo que sucedió con los pelos angulados", dice Alvarado. "Vimos una diferencia en la impedancia dependiendo de si el fluido fluía con o contra el grano. Básicamente, los pelos estaban cambiando de forma y cambiando el flujo a su alrededor."
"Física interesante"
Para estudiar esto más a fondo, el equipo, dirigido por Comtet, desarrolló un modelo matemático para caracterizar el comportamiento de las camas de pelo blando en presencia de un fluido que fluye. Los investigadores elaboraron una fórmula que tiene en cuenta variables como la velocidad deun fluido y las dimensiones del cabello, para calcular la velocidad reescalada, un parámetro que describe la velocidad de un fluido versus la elasticidad de un objeto dentro de ese fluido.
Descubrieron que si la velocidad reescalada es demasiado baja, los pelos son relativamente resistentes al flujo y se doblan ligeramente en respuesta. Si la velocidad reescalada es demasiado alta, los pelos se doblan o deforman fácilmente en el flujo de fluido. Pero justo en el medio, comoAlvarado dice, "la física interesante comienza a suceder"
En este régimen, un cabello con cierto ángulo o elasticidad exhibe una "respuesta de arrastre asimétrica" y solo se enderezará si el fluido fluye contra el grano, disminuyendo la velocidad del fluido. Un fluido que fluye desde casi cualquier otra dirección saldrálos pelos angulados, y la velocidad del fluido, imperturbables
Este nuevo modelo, dice Alvarado, puede ayudar a los ingenieros a diseñar dispositivos microfluídicos, forrados con pelos angulados, que dirijan pasivamente el flujo de fluidos a través de un chip.
Hosoi dice que los dispositivos microfluídicos como los diodos hidráulicos son una pieza esencial para el desarrollo de sistemas hidráulicos complejos que finalmente pueden hacer un trabajo real.
"Las computadoras y los teléfonos celulares fueron posibles gracias a la invención de productos electrónicos baratos, de estado sólido y de pequeña escala", dice Hosoi. "En los sistemas hidráulicos, no hemos visto ese tipo de revolución porque todos los componentes son complejos en sí mismos. Si puede hacer bombas de fluido, diodos, válvulas y resistencias pequeñas y baratas, entonces debería ser capaz de liberar la misma complejidad que vemos en los sistemas electrónicos, en los sistemas hidráulicos. Ahora se ha descubierto el diodo hidráulico de estado sólido ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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