چه قلب خوک و کمی صدا می تواند به ما در مورد طراحی دریچه های نرم بهتر بیاموزد

ویرایش شده توسط لیزا لاک، بررسی توسط رابرت ایگان

این مقاله با توجه به روند و سیاست‌های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

برخی از بهترین مهندسان و مخترعان کپی کار هستند. آنها به چگونگی حل مسائل پیچیده توسط جهان طبیعی نگاه می کنند و از این مکانیسم ها به عنوان مبنایی برای نوآوری ها استفاده می کنند. اما مادر طبیعت همیشه اسرار خود را به راحتی کنار نمی گذارد.

یکی از این رازها نحوه عملکرد دریچه های قلب و سایر دریچه های بیولوژیکی است. آنها حرکت سیالات را در یک جهت نگه می دارند و در عین حال از جریان برگشتی جلوگیری می کنند، همه اینها بدون نیاز به موتورهای فعال یا کنترل های برقی برای هدایت آنها. منگفی هی از دانشگاه هاروارد و همکارانش برای اینکه بفهمند چگونه دریچه های میترال خوک را مطالعه کردند.

آنها می‌خواستند سیستمی راه‌اندازی کنند تا ببینند لت‌های دریچه، دریچه‌های نازک بافتی که به‌عنوان درب‌ها عمل می‌کنند، هنگامی که مایع به آنها فشار می‌آورد چگونه واکنش نشان می‌دهند.

آن‌ها از دوربین‌های پرسرعت، دبی‌سنج توربین و سنسورهای فشار برای مقایسه دریچه میترال یک قلب خوک استخراج‌شده با یک مدل فیزیکی ساده‌شده از مخروط الاستیک نازک در داخل یک لوله صلب استفاده کردند. به طور خاص، آنها نحوه تغییر شکل و بسته شدن برگه های طبیعی و معادل مصنوعی را پیگیری کردند.

محققان همچنین می خواستند ببینند که چگونه نوسانات در جریان بر دریچه مصنوعی تأثیر می گذارد. بنابراین آنها از یک سرنگ برای تزریق جریان عمدی به جریان آب استفاده کردند. در نهایت، آنها یک معادله ریاضی ایجاد کردند که انتقال شیر به سمت بسته شدن و مدت زمان آن را بر اساس جریان اطراف آن پیش بینی می کند.

یافته‌های آن‌ها که در مجله Physical Review Letters منتشر شده است، بینشی شگفت‌انگیز از نحوه عملکرد دریچه‌ها ارائه می‌کند.

هر دو دریچه خوک بیولوژیکی و مخروط مصنوعی به روش های مشابهی به مایع پاسخ دادند. هنگامی که سیال به سمت هر یک از سازه ها فشار می آورد، هر دو در نهایت بسته می شوند تا از جریان برگشتی جلوگیری شود. در مخروط مصنوعی، نوسانات تصادفی در جریان، که به عنوان نویز سیال شناخته می شود، به ایجاد این بسته شدن کمک کرد.

این نویز به دور از تأثیر منفی، مانند یک سوئیچ عمل می کند. نوسانات ناگهانی به دیواره های انعطاف پذیر فشار وارد می کند و باعث می شود که آنها به سمت داخل کمانش کنند و یک مهر و موم تشکیل دهند. هنگامی که جریان صاف و ثابت است، شیر مصنوعی حدود 10 برابر فشار بیشتری برای بسته شدن نیاز دارد.

اگرچه دریچه مصنوعی در فشارهای بسیار پایین تری در هنگام وجود صدای سیال بسته می شود، زمان بندی تصادفی است زیرا بستگی به زمان وقوع یک نوسان به اندازه کافی بزرگ دارد.

نویسندگان مطالعه همچنین دریافتند که می‌توانند عمدا با تزریق پالس‌های جریانی مختصر و هدفمند به جریان، دریچه مصنوعی را در صورت تقاضا فعال کنند. نویسندگان اظهار داشتند: «آزمایش‌های بیشتر نشان می‌دهد که انتقال اصلاح می‌تواند در صورت تقاضا با اختلالات کنترل‌شده آغاز شود».

در مقاله خود، محققان پیشنهاد می‌کنند که انقباضات عضله قلب ممکن است باعث افزایش مایعاتی شود که به بسته شدن دریچه کمک می‌کند، اگرچه این موضوع هنوز مورد بررسی قرار گرفته است. با این وجود، درک بهتر این فرآیند می تواند به طراحی دریچه های نرم مصنوعی نیز کمک کند. این نتایج با هم یک اصل طراحی را برای عملکرد کارآمد دریچه‌های نرم پیشنهاد می‌کنند.

کاربردهای احتمالی شامل شیرهای مصنوعی نرمی است که جریان سیال را بدون کنترل فعال کنترل می کنند.

توسط نویسنده ما پل آرنولد برای شما نوشته شده است، توسط لیزا لاک ویرایش شده و توسط رابرت ایگان بررسی و بررسی شده است — این مقاله نتیجه کار دقیق انسانی است. ما برای زنده نگه داشتن روزنامه نگاری علمی مستقل به خوانندگانی مانند شما متکی هستیم. اگر این گزارش برای شما مهم است، لطفا یک کمک مالی (به ویژه ماهانه) در نظر بگیرید. به عنوان تشکر، یک حساب کاربری بدون آگهی دریافت خواهید کرد.

Mengfei He و همکاران، Elastohydrodynamics تصادفی دریچه های نرم، Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/h78n-3582. در arXiv : arxiv.org/abs/2504.08248

اطلاعات مجله: Physical Review Letters , arXiv

کارشناسی زیست شناسی از دانشگاه لندن. تهیه کننده مستند بی بی سی با تجربه سفر در جهان. مشاغل آزاد از جنوب اسپانیا. نمایه کامل →

لیسانس تاریخ هنر، کارشناسی ارشد فرهنگ مادی. سردبیر سابق موزه، پیراپزشک و هماهنگ کننده پیوند. ویرایش برای Science X از سال 2021. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →