Nuestros cuerpos están forrados por dentro con suave, alfombras microscópicas de cabello, de las extensiones de hierba en nuestras papilas gustativas, a lechos difusos de microvellosidades en nuestros estómagos, a cadenas de proteínas superfinas a lo largo de nuestros vasos sanguíneos. Estas proyecciones peludas, anclado a superficies blandas, doblarse y girar con las corrientes de los fluidos en los que están sumergidos.

Ahora los ingenieros del MIT han encontrado una manera de predecir cuán diminutos, lechos suaves de cabello se doblarán en respuesta al flujo de líquido. A través de experimentos y modelos matemáticos, ellos encontraron que, No es sorprendente, los pelos rígidos tienden a permanecer erguidos en un flujo de líquido, mientras más elástico, los pelos caídos ceden fácilmente a la corriente.

Hay, sin embargo, un punto dulce en el que los pelos, doblado en el ángulo correcto, con una elasticidad ni demasiado blanda ni rígida, puede afectar el fluido que fluye a través de ellos. Los investigadores encontraron que esos cabellos en ángulo se enderezan cuando fluye líquido contra ellos. En esta configuración, los pelos pueden ralentizar el flujo de líquido, como una rejilla levantada temporalmente.

Los resultados, publicado 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 postulan que los pelos en ángulo en los vasos sanguíneos y los intestinos pueden doblarse para proteger los tejidos circundantes del flujo excesivo de líquido.

Los hallazgos también pueden ayudar a los ingenieros a diseñar nuevos dispositivos de microfluidos, como válvulas hidráulicas y diodos, pequeños chips que dirigen el flujo de fluido a través de varios canales. a través de patrones de diminuto, pelos en ángulo.

"A escalas muy pequeñas, es muy difícil diseñar cosas con funcionalidades que puedas cambiar, "dice Anette (Peko) Hosoi, profesor y jefe asociado del departamento de operaciones en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT. "Estos pelos en ángulo se pueden usar para hacer un diodo de 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 postdoctorado del MIT José Alvarado, ex estudiante de posgrado Jean Comtet, y Emmanuel de Langre, profesor del Departamento de Mecánica de la École Polytechnique.

Desde pieles de gato hasta cepillos para el cabello

"Se ha realizado mucho trabajo a gran escala, estudiar fluidos como el viento que pasa por un campo de hierba o trigo, y cómo el 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 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 quitaron las capas de pelo de polímero de los moldes acrílicos.

De este modo, el equipo fabricó varias capas de cabello, cada uno del tamaño de una pequeña nota Post-it. Por cada cama, los investigadores alteraron la densidad, ángulo, y elasticidad de los cabellos.

"Los más densos son comparables a la piel de gato de pelo corto, y los más bajos son algo así como cepillos de metal, "Dice Alvarado.

Luego, el equipo estudió la forma en que los pelos respondían al fluido que fluye, colocando cada lecho en un reómetro, un instrumento que consta de un cilindro dentro de otro. Los científicos suelen llenar el espacio entre cilindros con un líquido, luego gire el cilindro interior y mida el par generado cuando el líquido arrastra el cilindro exterior. Luego, los científicos pueden usar este par medido para calcular la viscosidad del líquido.

Por 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 viscoso, aceite similar a la miel. Luego, el equipo midió el par generado, así como la velocidad a la que giraba el cilindro interior. De estas medidas, el equipo calculó la impedancia, o resistencia a fluir, creado por los pelos.

"Lo sorprendente es lo que sucedió con los pelos en ángulo, "Dice Alvarado." Vimos una diferencia en la impedancia dependiendo de si el fluido fluía a favor o en contra de la fibra. Básicamente, los pelos cambiaban 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 los lechos de cabello blando en presencia de un fluido que fluye. Los investigadores elaboraron una fórmula que tiene en cuenta variables 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.

Descubrieron que si la velocidad reescalada es demasiado baja, los pelos son relativamente resistentes a fluir y solo se doblan ligeramente en respuesta. Si la velocidad reescalada es demasiado alta, los pelos se doblan o deforman fácilmente con el flujo de líquido. Pero justo en el medio como dice Alvarado, "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 la fibra, ralentizar el fluido. Un fluido que fluye desde casi cualquier otra dirección dejará intactos los pelos en ángulo y la velocidad del fluido.

Este nuevo modelo, Alvarado dice, puede ayudar a los ingenieros a diseñar dispositivos de microfluidos, bordeado de pelos en ángulo, que dirigen pasivamente el flujo de fluidos a través de un chip.

Hosoi dice que los dispositivos de microfluidos, como los diodos hidráulicos, son una pieza esencial para desarrollar sistemas hidráulicos complejos que, en última instancia, pueden hacer un trabajo real.

"Las computadoras y los teléfonos móviles fueron posibles gracias a la invención de de Estado sólido, electrónica 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 puedes hacer algo pequeño bombas de fluido baratas, diodos válvulas, y resistencias, entonces debería poder dar rienda suelta a la misma complejidad que vemos en los sistemas electrónicos, en sistemas hidráulicos. Ahora se ha descubierto el diodo hidráulico de estado sólido ".