Πηγή έμπνευσης για την επόμενη γενιά απορροφητικών υλικών αποτελούν τα φτερά ενός πτηνού, ένα ακραία κοντινό πλάνο των οποίων αποκαλύπτει την εξαιρετική ικανότητά τους να συγκρατούν νερό εν ώρα πτήσης.
Τα «ένδοξα φτερά» του Pterocles namaqua
Πρόκειται για το είδος Pterocles namaqua, ένα μικρού μεγέθους περιστερόμορφο πτηνό που ζει σε ερημικά περιβάλλοντα. Η ονομασία του γένους Pterocles (Πτερόκλης) συνδυάζει την αρχαία ελληνική λέξη πτερόν και την κατάληξη -κλης που προέρχεται από τη λέξη κλέος, που σημαίνει «δόξα» στα αρχαία ελληνικά. Περιγράφηκαν δηλαδή από τον Ολλανδό ζωολόγο Κοένραντ Τζέικομπ Τέμινκ -τον ερευνητή που εμπνεύστηκε την ονομασία του γένους- ως τα πτηνά με τα «ένδοξα φτερά».
Χρησιμοποιώντας μικροσκόπια υψηλής ανάλυσης και τεχνολογία 3D, οι ερευνητές του Πανεπιστημίου Τζονς Χόπκινς και του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης (MIT) κατέγραψαν μια πρωτοφανή άποψη των φτερών του πτηνού και παρουσίασαν την ιδιαίτερη δομή των φτερών τους, αποκαλύπτοντας για πρώτη φορά την εξαιρετική ικανότητά τους να συγκρατούν τόσο πολύ νερό.
«Είναι ιδιαίτερα συναρπαστικό να βλέπουμε τον τρόπο με τον οποίο η φύση κατάφερε να δημιουργήσει δομές τόσο τέλεια αποδοτικές για να προσλαμβάνουν και να συγκρατούν νερό», αναφέρει ένας εκ των συγγραφέων της ερευνητικής εργασίας, ο Γιόχεν Μιούλερ, επίκουρος καθηγητής στο Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών και Μηχανικών Συστημάτων του Τζονς Χόπκινς, ο οποίος ειδικεύεται στα έξυπνα υλικά και τον σχεδιασμό. «Από μηχανικής απόψεως, πιστεύουμε ότι τα ευρήματα θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε νέες δημιουργίες εμπνευσμένες από τη βιολογία», συμπληρώνει ο καθηγητής.
Η εκπληκτική ικανότητα μεταφοράς νερού των πτηνών
Η ερευνητική εργασία δημοσιεύθηκε εχθές, 11 Απριλίου, στο επιστημονικό περιοδικό “Journal of the Royal Society Interface”.
Τα εν λόγω πτηνά των αφρικανικών ερήμων συνήθως φωλιάζουν περίπου 32 χιλιόμετρα ή 20 μίλια μακριά από τους νερόλακκους, ώστε να παραμένουν ασφαλή από τα αρπακτικά. Προκειμένου να μεταφέρουν νερό στη φωλιά τους για τους διψασμένους νεοσσούς, τα ενήλικα αρσενικά εκτελούν ένα από τα καλύτερα παραδείγματα μεταφοράς που παρατηρούνται στη φύση.
Συλλέγουν νερό και εν συνεχεία πετούν μεταφέροντάς το στον προορισμό τους, ένα κατόρθωμα που γίνεται ακόμη πιο εντυπωσιακό αν αναλογιστεί κανείς ότι το νερό αυτό μπορεί να ισοδυναμεί με το 15% του βάρους του σώματός τους, διατηρώντας το ασφαλές κατά τη διάρκεια της πτήσης τους που πραγματοποιείται με ταχύτητα περίπου 65 χιλιομέτρων ανά ώρα και μπορεί να διαρκέσει έως και μισή ώρα.
Το «κλειδί» γι’ αυτήν την αξιοθαύμαστη ικανότητα των Pterocles namaqua βρίσκεται στα ειδικά προσαρμοσμένα φτερά της κοιλιάς των αρσενικών, τα οποία είναι και τα μόνα που είναι γνωστό ότι μπορούν να συγκρατήσουν νερό μ’ αυτόν τον τρόπο. Παλαιότερα, ερευνητές είχαν καταγράψει για πρώτη φορά τα ιδιαίτερα αυτά φτερά της κοιλιάς, περισσότερα από 50 χρόνια πριν. Εντούτοις, μόνο τώρα, που οι ερευνητές έχουν πλέον στη διάθεσή τους σύγχρονες τεχνολογίες, μπορούν τελικά να αποδείξουν πώς λειτουργούν τα φτερά των αξιοθαύμαστων πτηνών.
Πώς εργάστηκαν οι επιστήμονες
Ο Μιούλερ και η μηχανικός του MIT Λόρνα Τζ. Γκίμπσον εστίασαν στην μικροδομή των φτερών της κοιλιάς χρησιμοποιώντας ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης, μικροϋπολογιστική τομογραφία, φωτεινή μικροσκοπία και τρισδιάστατη βιντεοσκόπηση, εξετάζοντας προσεκτικά τους άξονες, κάθε ένας από τους οποίους χαρακτηρίζεται από μόλις ένα κλάσμα του πλάτους μια ανθρώπινης τρίχας, καθώς και τα ακόμη πιο μικροσκοπικά μεμονωμένα φτερά.
Η ομάδα μεγέθυνε τα φτερά, παρατηρώντας τα τόσο στεγνά όσο και υγρά. Έπειτα, σε μια κίνηση λεπτή και εξίσου κρίσιμη, ενώ μεγεθύνονταν τα στεγνά φτερά βυθίστηκαν σε νερό, τραβήχτηκαν έξω και στη συνέχεια ξαναβυθίστηκαν, ακριβώς όπως κάνει το πτηνό συλλέγοντας νερό από έναν νερόλακκο. «Όταν κάνεις αυτού του είδους τη δουλειά, δεν μπορείς να πάρεις ανάσα καν, αλλιώς τα τινάζεις όλα στον αέρα», εξηγεί ο Μιούλερ.
Ο ίδιος περιγράφει τη μεμονωμένη δομή του φτερώματος ως «υπέροχη», με συστατικά βελτιστοποιημένα με διάφορους τρόπους ώστε να συγκρατούν και να διατηρούν το νερό, συμπεριλαμβανομένου του τρόπου με τον οποίο λυγίζουν, του τρόπου με τον οποίο τα φτερά σχηματίζουν προστατευτικά συμπλέγματα που μοιάζουν με σκηνές όταν βρέχονται, καθώς και του τρόπου με τον οποίο οι σωληνοειδείς δομές μέσα σε κάθε φτερό συγκρατούν το νερό.
Τα μεμονωμένα φτερά φαίνεται πως δουλεύουν συνεργατικά με τα καμπυλωτά φτερά κοντά στις άκρες, τα οποία λειτουργούν κατά κάποιον τρόπο σαν καπάκια. «Αυτό είναι που μας ενθουσίασε, να βλέπουμε αυτό το επίπεδο λεπτομέρειας», λέει ο Μιούλερ. «Αυτό είναι που πρέπει να κατανοήσουμε προκειμένου να χρησιμοποιήσουμε αυτές τις αρχές για τη δημιουργία νέων υλικών». Η ομάδα μοντελοποίησε επίσης σε υπολογιστή την πρόσληψη νερού από τα φτερά.
Η αξία των ευρημάτων για τη μηχανική
Ο Μιούλερ και η Γκίμπσον πιστεύουν ότι τα ευρήματά τους θα στηρίξουν στο μέλλον διάφορα σχέδια που απαιτούν ελεγχόμενη απορρόφηση υγρών, την ασφαλή συγκράτηση, καθώς και την εύκολη απελευθέρωσή τους. Στις πιθανές εφαρμογές περιλαμβάνονται ο σχεδιασμός δικτυωτών υφασμάτων για τη συλλογή και τη συγκράτηση νερού από την ομίχλη σε περιοχές της ερήμου και ένα μπουκάλι νερού, σχεδιασμένο να αποτρέπει την ενοχλητική ταλάντευση του υγρού.
Ο Μιούλερ σκέφτεται ότι τα ευρήματα της εργασίας τους θα μπορούσαν να προσφέρουν πολύτιμη βοήθεια στο σχεδιασμό ενός μπουκαλιού ή ενός αθλητικού σακιδίου πλάτης, που θα μπορεί να συγκρατεί με ασφάλεια μεγάλη ποσότητα υγρών, και το οποίο θα διαθέτει στο εσωτερικό του ένα σύστημα παρόμοιο με εκείνο των φτερών των Pterocles namaqua, ώστε να εμποδίζεται η ταλάντωση του υγρού την ώρα που κάποιος κινείται με αυτό. Ο ίδιος πιστεύει ότι κάτι τέτοιο θα έχαιρε μεγάλης εκτίμησης από τους δρομείς.
Μία άλλη πιθανή εφαρμογή που οραματίζεται ο επιστήμονας αφορά προηγμένες ιατρικές μπατονέτες με αυξημένη χρηστικότητα, περιγράφοντας ότι ο χρήστης θα μπορεί να απορροφήσει αποτελεσματικά το υγρό, αλλά θα μπορεί εξίσου εύκολα να το απελευθερώσει, προσθέτοντας μάλιστα ότι η δυνατότητα απελευθέρωσης αποτέλεσε πρόβλημα στη συλλογή ρινικών δειγμάτων για τον Covid-19 κατά τη διάρκεια της πανδημίας. Το επόμενο βήμα για την ομάδα των ερευνητών είναι ο σχεδιασμός διαφόρων δομών με χρήση τρισδιάστατης τεχνολογίας (τεχνολογίας 3D), επιδιώκοντας εμπορικές εφαρμογές.
Τα φτερά της κοιλιάς που χρησιμοποιήθηκαν για τους σκοπούς της μελέτης προήλθαν από ένα μόνο αρσενικό ενήλικο Pterocles namaqua από τη συλλογή του Μουσείου Συγκριτικής Ζωολογίας του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ.
