Расследование курса

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 12097 (2023) Цитировать эту статью

126 доступов

6 Альтметрика

Подробности о метриках

Прокол — жизненно важный механизм выживания у широкого спектра организмов всех типов, выполняющий биологические функции, такие как захват добычи, защита и размножение. Понимание того, как форма инструмента для прокола влияет на его функциональные характеристики, имеет решающее значение для раскрытия механики, лежащей в основе разнообразия и эволюции систем на основе проколов. Однако такие отношения формы и функции часто осложняются динамической природой живых систем. В частности, пункционные системы работают в широком диапазоне скоростей, проникая в биологические ткани. В современных исследованиях биомеханики прокола отсутствует систематическая характеристика сложного, опосредованного скоростью взаимодействия между инструментом и материалом в этом динамическом диапазоне. Чтобы заполнить этот пробел в знаниях, мы создаем строго контролируемую экспериментальную структуру для динамического прокола, чтобы исследовать взаимосвязь между производительностью прокола (характеризуемой глубиной прокола) и остротой инструмента (характеризуемой углом заострения) в широком диапазоне био- соответствующие скорости прокола (от квазистатической до \(\sim\) 50 м/с). Наши результаты показывают, что чувствительность эффективности прокола к изменениям остроты инструмента снижается при более высоких скоростях прокола. Эта тенденция, вероятно, связана с вязкоупругими и инерционными эффектами, основанными на скорости, возникающими из-за того, как материалы реагируют на динамические нагрузки. Соотношение форма-функция, зависящее от скорости, имеет важные биологические последствия: в то время как пассивные/низкоскоростные прокалывающие организмы, вероятно, в значительной степени полагаются на острые проколающие инструменты для успешного проникновения и поддержания функциональности, более высокоскоростные прокалывающие системы могут обеспечивать большую изменчивость формы прокалывающего инструмента из-за к относительно геометрически нечувствительной характеристике прокола, что обеспечивает более высокую адаптацию в ходе эволюционного процесса к другим механическим факторам.

Выявление влияния морфологии на функциональные характеристики имеет важное значение для понимания эволюции биомеханических систем. Однако взаимосвязь между формой и функцией часто осложняется как внутренними особенностями системы, так и внешними факторами, которые могут оказывать сильное влияние на производительность1. Природная сложность многочастных биомеханических систем часто приводит к нелинейным отношениям между формой и функцией2,3, в то время как внешние факторы, такие как температура, могут сильно изменить работу физиологических систем4,5,6. Одним из факторов, который может оказывать сильное влияние на отношения форма-функция в широком диапазоне биологии, является динамика системы1,7,8,9,10. Примером этого с далеко идущими последствиями является то, что скорость загрузки биологического материала (скорость деформации) может влиять на его реакцию на указанную нагрузку, при этом материалы часто становятся более жесткими или жесткими при более высоких скоростях деформации1,11,12,13. Эта зависимость скорости деформации биоматериалов может иметь большое влияние на их устойчивость к повреждениям, что, в свою очередь, может сильно повлиять на производительность системы. Здесь мы исследуем, как скорость деформации потенциально меняет соотношение формы и функции для конкретного типа повреждения: биологического прокола.

На первый взгляд биологические пункционные системы демонстрируют прямую связь между морфологией и функциональными характеристиками14. Было показано, что острота инструмента значительно изменяет эффективность прокола у ряда организмов15,16,17,18. Однако по большей части в этих исследованиях проверялся эффект резкости только на квазистатических/низких скоростях (\(< 1{\mathrm{m/s}}\)), в то время как события биологического прокола могут происходить при скорости более 60 м/с и более 1,19,20,21 (рис. 1). Исследования динамических проколов (> 1 м/с) показали, что при высоких скоростях в материалах мишени возникает деформационное ужесточение, особенно когда материал мягкий и деформируемый22,23,24. Учитывая изменение реакции материала при высоких скоростях нагружения, меняется ли взаимосвязь между формой инструмента и производительностью прокола при более высоких скоростях прокола?