Los ingenieros del MIT pueden predecir cómo las camas de pelo pequeño y blando, como las que recubren las superficies dentro del cuerpo humano, se doblarán en respuesta al flujo de fluido.
Los ingenieros predicen cómo el fluido fluirá doblará diminutos pelos que alinean los vasos sanguíneos y los intestinos.
Nuestros cuerpos están forrados en el interior con suaves y microscópicas alfombras de cabello, desde las extensiones de césped en nuestros papilas gustativas, hasta camas difusas de microvillos en nuestros estómagos, hasta hilos de proteína superfina a través de nuestros vasos sanguíneos. Estas proyecciones peludas, ancladas a superficies blandas, se doblan y se retuercen con las corrientes de los fluidos en los que están inmersos.
Ahora los ingenieros en el MIT han encontrado una manera de predecir cómo tan diminutos, suaves camas de cabello se doblará en respuesta al flujo de fluido. A través de experimentos y modelado matemático, encontraron que, no es de extrañar, los pelos rígidos tienden a mantenerse erguidos en un flujo de fluido, mientras que los pelos más elásticos y caídos ceden fácilmente a una corriente.
Hay, sin embargo, un punto dulce en el que los pelos, doblados en el ángulo recto, con una elasticidad ni demasiado blanda ni rígida, pueden afectar al fluido que fluye a través de ellos. Los investigadores descubrieron que tales pelos en ángulo se enderezan cuando el fluido fluye contra ellos. En esta configuración, los pelos pueden retardar un flujo de fluido, como una rejilla temporalmente elevada.
Los resultados, publicados esta semana en la revista Nature Physics , pueden ayudar a iluminar el papel de las superficies peludas en el cuerpo. Por ejemplo, los investigadores postulan que los pelos en ángulo en los vasos sanguíneos y los intestinos pueden doblarse para proteger los tejidos circundantes de los flujos de fluido en exceso.
Los hallazgos también pueden ayudar a los ingenieros a diseñar nuevos dispositivos microfluídicos, como válvulas hidráulicas y diodos – pequeños chips que dirigen el flujo de fluido a través de varios canales, a través de patrones de pelos diminutos y angulosos.
“A muy pequeñas escalas, es muy difícil diseñar cosas con funcionalidades que se puedan cambiar”, dice Anette (Peko) Hosoi, Profesor Neil y Jane Pappalardo de Ingeniería Mecánica y decano asociado de la Escuela de Ingeniería. “Estos cabellos angulados pueden usarse para fabricar un diodo fluido que cambia de alta resistencia a baja cuando el fluido fluye en una dirección frente a otra”.
Hosoi es coautor del artículo, junto con el autor principal y postdoctoral del MIT José Alvarado, ex-estudiante de posgrado Jean Comtet, y Emmanuel de Langre, profesor del Departamento de Mecánica de la École Polytechnique.
De la piel del gato a los cepillos para el cabello
“Se ha hecho mucho trabajo a gran escala, estudiando fluidos como el viento que fluye a través de un campo de hierba o de trigo, y cómo doblar o cambiar la forma de un objeto afecta la impedancia o flujo de fluido”, dice Alvarado. “Pero ha habido muy poco trabajo a pequeña escala que pueda ser aplicable a pelos biológicos”.
Para investigar el comportamiento de pelos muy pequeños en respuesta al fluido fluido, el equipo fabricó mullidas capas de pelo cortando láser diminutos agujeros en láminas de acrílico, luego llenó los agujeros con polímero líquido. Una vez solidificados, los investigadores eliminaron las capas de pelo de polímero de los moldes de acrílico.
De esta manera, el equipo fabricó múltiples camas de pelo, cada una del tamaño de un pequeño Post-it. Para cada cama, los investigadores alteraron la densidad, el ángulo y la elasticidad de los pelos.
“Los más densos son comparables a la piel de gato de pelo corto, y los más bajos son algo como cepillos de metal”, dice Alvarado.
El equipo entonces estudió la forma en que los pelos respondían al fluido fluido, colocando cada cama en un reómetro – un instrumento que consistía en un cilindro dentro del otro. Los científicos normalmente llenan el espacio entre los cilindros con un líquido, luego giran el cilindro interior y miden el par generado cuando el líquido arrastra el cilindro exterior a lo largo. Los científicos pueden entonces utilizar este par medido para calcular la viscosidad del líquido.
Para sus experimentos, Alvarado y Hosoi alinearon el cilindro interior del reómetro con cada lecho de pelo y llenaron el espacio entre los cilindros con un aceite viscoso similar a la miel. El equipo entonces midió el par generado, así como qué tan rápido el cilindro interior estaba girando. 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 angulosos”, dice Alvarado. “Vimos una diferencia en la impedancia dependiendo de si fluía fluido con o contra el grano. Básicamente, los pelos estaban cambiando de forma y cambiando el flujo alrededor de ellos. “
“Física interesante”
Para estudiarlo más a fondo, el equipo, liderado por Comtet, desarrolló un modelo matemático para caracterizar el comportamiento de los cabellos blandos en presencia de un fluido fluido. Los investigadores elaboraron una fórmula que tiene en cuenta variables tales como la velocidad de un fluido y las dimensiones del cabello, para calcular la velocidad reescalada – un parámetro que describe la velocidad de un fluido frente a la elasticidad de un objeto dentro de ese fluido.
Encontraron que si la velocidad de reescalado es demasiado baja, los pelos son relativamente resistentes al flujo y se doblan sólo ligeramente en respuesta. Si la velocidad de reescalado es demasiado alta, los pelos son fácilmente doblados o deformados en el flujo de fluido. Pero en el medio, como dice Alvarado, “la física interesante comienza a suceder”.
En este régimen, un cabello con cierto ángulo o elasticidad presenta una “respuesta de resistencia asimétrica” y sólo se enderezará si el fluido fluye contra el grano, lo que hace que el fluido disminuya. Un fluido que fluye desde casi cualquier otra dirección dejará los pelos en ángulo – y la velocidad del fluido – imperturbables.
Este nuevo modelo, dice Alvarado, puede ayudar a los ingenieros a diseñar dispositivos microfluídicos, forrados con pelos angulosos, que dirigen pasivamente el flujo de fluidos a través de un chip.
Hosoi dice que los dispositivos microfluídicos tales como diodos hidráulicos son una pieza esencial para el desarrollo de sistemas hidráulicos complejos que en última instancia pueden hacer un trabajo real.
“Las computadoras y los teléfonos celulares fueron posibles gracias a la invención de la electrónica de bajo costo, de estado sólido y en 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 fabricar pequeñas y baratas bombas de fluido, diodos, válvulas y resistencias, entonces debería ser capaz de desatar la misma complejidad que vemos en sistemas electrónicos, en sistemas hidráulicos. Ahora se ha descubierto el diodo hidráulico de estado sólido.
Esta investigación es apoyada, en parte, por la Defense Advanced Research Projects Agency y la US Army Research Office.
Fuente: MIT