Extreme Flow Simulations Reveal Skeletal Adaptations Of Deep Sea Sponges 777x441 1 2
Thông tin công nghệ

Cấu trúc đáng chú ý của Bọt biển Hoa Venus ở Biển sâu Hữu ích cho Thiết kế Tàu, Máy bay và Tòa nhà chọc trời

Trường thủy động lực học bên trong và bên ngoài cấu trúc xương của bọt biển thủy tinh Euplectella aspergillum. Hiện trường đã được tái tạo bằng siêu máy tính CINECA. Các phương pháp luận động học và mã tính toán tiên tiến đã cho phép tái tạo lại chính xác các điều kiện sống của bọt biển ở độ sâu, làm nổi bật các đặc tính cấu trúc và động lực học chất lỏng đáng chú ý của chúng. Tín dụng: G. Falcucci

Được công bố trên tạp chí Nature, mô phỏng lần đầu tiên về bọt biển hoa Venus ở biển sâu và cách nó phản ứng và ảnh hưởng đến dòng chảy của nước gần đó.

Các đặc tính cấu trúc đáng chú ý của bọt biển rổ (E. aspergillum) có vẻ như là những khái niệm bị loại bỏ khỏi các cấu trúc do con người tạo ra. Tuy nhiên, những hiểu biết sâu sắc về cách mạng lưới của sinh vật gồm các lỗ và gờ ảnh hưởng đến thủy động lực học của nước biển trong vùng lân cận của nó có thể dẫn đến các thiết kế tiên tiến cho các tòa nhà, cầu, phương tiện hàng hải và máy bay, và bất cứ thứ gì phải phản ứng an toàn với các lực tác động bởi dòng không khí hoặc nước.

Trong khi nghiên cứu trước đây đã tìm hiểu về cấu trúc của bọt biển, có rất ít nghiên cứu về các trường thủy động lực học bao quanh và xâm nhập vào cơ thể sinh vật, và liệu ngoài việc cải thiện các đặc tính cơ học của nó, các mô hình xương của E. Aspergillum có làm cơ sở cho việc tối ưu hóa vật lý dòng chảy bên trong không và ngoài khoang cơ thể của nó.

Trường thủy động lực học bên trong và bên ngoài cấu trúc xương của bọt biển thủy tinh Euplectella aspergillum. Hiện trường đã được tái tạo bằng siêu máy tính CINECA. Các phương pháp luận động học và mã tính toán tiên tiến đã cho phép tái tạo lại chính xác các điều kiện sống của bọt biển ở độ sâu, làm nổi bật các đặc tính cấu trúc và động lực học chất lỏng đáng chú ý của chúng. Nguồn: Đại học “Tor Vergata” của Rome

Một sự hợp tác xuyên ba lục địa ở biên giới vật lý, sinh học và kỹ thuật do Giacomo Falcucci (từ Đại học Tor Vergata của Rome và Đại học Harvard) đứng đầu, với sự cộng tác của Sauro Succi (Viện Công nghệ Ý) và Maurizio Porfiri (Trường Tandon của Kỹ thuật, Đại học New York) đã áp dụng cơ siêu tính toán và phần mềm đặc biệt để hiểu sâu hơn về những tương tác này, tạo ra mô phỏng lần đầu tiên về bọt biển sâu và cách nó phản ứng và ảnh hưởng đến dòng chảy của nước gần đó.

Công trình, “Mô phỏng dòng chảy khắc nghiệt tiết lộ sự thích nghi về bộ xương của bọt biển sâu” được xuất bản trên tạp chí Nature , tiết lộ mối liên hệ sâu sắc giữa cấu trúc và chức năng của bọt biển, làm sáng tỏ khả năng của cả rổ bọt biển để chống lại các lực động của đại dương xung quanh và khả năng tạo ra dòng xoáy giàu chất dinh dưỡng trong “giỏ” khoang cơ thể.

Tác giả đầu tiên Giacomo Falcucci của Đại học Tor Vergata thuộc Đại học Rome và Đại học Harvard cho biết: “Sinh vật này đã được nghiên cứu rất nhiều từ quan điểm cơ học vì khả năng biến dạng đáng kinh ngạc của nó bất chấp cấu trúc thủy tinh, giòn của nó. “Chúng tôi đã có thể điều tra các khía cạnh của thủy động lực học để hiểu cách thức hình học của miếng bọt biển cung cấp phản ứng chức năng đối với chất lỏng, để tạo ra điều gì đó đặc biệt liên quan đến tương tác với nước”

“Bằng cách khám phá dòng chất lỏng bên trong và bên ngoài khoang cơ thể của bọt biển, chúng tôi đã phát hiện ra dấu chân của sự thích nghi dự kiến với môi trường. Porfiri, đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết thêm, cấu trúc của bọt biển không chỉ góp phần làm giảm lực cản mà còn tạo điều kiện thuận lợi cho việc tạo ra các xoáy tốc độ thấp trong khoang cơ thể để kiếm ăn và sinh sản.

Cấu trúc của E. Aspergillum, được tái tạo bởi đồng tác giả Pierluigi Fanelli, Đại học Tuscia, Ý, giống như một chiếc bình thủy tinh tinh xảo dưới dạng một ống hình trụ có thành mỏng với tâm nhĩ lớn ở giữa, các hạt xốp – do đó chúng tên gọi thường được sử dụng, “bọt biển thủy tinh”. Các hình chóp được tạo bởi ba tia vuông góc, cho chúng sáu điểm. Các hạt xốp siêu nhỏ “đan” lại với nhau để tạo thành một lưới rất mịn, tạo cho cơ thể của bọt biển một độ cứng không có ở các loài bọt biển khác và cho phép nó tồn tại ở độ sâu lớn trong cột nước.

Để hiểu cách bọt biển giỏ hoa Venus thực hiện điều này, nhóm đã sử dụng rộng rãi máy tính ngoại hạng Marconi100 tại trung tâm máy tính hiệu suất cao CINECA ở Ý, có khả năng tạo ra các mô phỏng toàn diện bằng cách sử dụng hàng tỷ điểm dữ liệu không gian thời gian, động trong ba chiều. .

Các nhà nghiên cứu cũng khai thác phần mềm đặc biệt được phát triển bởi đồng tác giả nghiên cứu Giorgio Amati, thuộc SCAI (Siêu máy tính ứng dụng và đổi mới) tại CINECA, Ý. Phần mềm cho phép mô phỏng siêu tính toán dựa trên các phương pháp Lattice Boltzmann, một loại phương pháp động lực học chất lỏng tính toán cho các hệ thống phức tạp biểu diễn chất lỏng như một tập hợp các hạt và theo dõi hoạt động của từng hạt trong số chúng.

Các thí nghiệm trong silico, bao gồm khoảng 100 tỷ hạt ảo, đã tái tạo các điều kiện thủy động lực học dưới đáy biển sâu nơi E. Aspergillum sinh sống. Kết quả được xử lý bởi Vesselin K. Krastev tại Đại học Tor Vergata của Rome cho phép nhóm nghiên cứu khám phá cách tổ chức các lỗ và gờ trong miếng bọt biển cải thiện khả năng giảm lực do nước biển di chuyển (một câu hỏi kỹ thuật cơ học do Falcucci và Succi đưa ra) , và cấu trúc của nó ảnh hưởng như thế nào đến động lực của dòng chảy bên trong khoang cơ thể bọt biển để tối ưu hóa việc ăn lọc có chọn lọc và gặp gỡ giao tử để sinh sản hữu tính (một câu hỏi sinh học được đặt ra bởi Porfiri và một chuyên gia sinh vật học về sự thích nghi sinh thái ở các sinh vật thủy sinh, Giovanni Polverino từ Trung tâm Sinh học Tiến hóa tại Đại học Tây Úc, Perth).

“Công trình này là một ứng dụng điển hình của động lực học chất lỏng rời rạc nói chung và phương pháp Lattice Boltzmann nói riêng,” đồng tác giả Sauro Succi của Viện Công nghệ Ý và Đại học Harvard cho biết. Sauro Succi được quốc tế công nhận là một trong những cha đẻ của Phương pháp Lưới Boltzmann. “Tính chính xác của phương pháp, kết hợp với quyền truy cập vào một trong những siêu máy tính hàng đầu trên thế giới đã giúp chúng tôi có thể thực hiện các mức tính toán chưa từng được thử trước đây, điều này làm sáng tỏ vai trò của các dòng chất lỏng trong sự thích nghi của các sinh vật vực thẳm.”

“Cuộc điều tra của chúng tôi về vai trò của hình học bọt biển đối với phản ứng của nó đối với dòng chất lỏng, có rất nhiều ý nghĩa đối với việc thiết kế các tòa nhà cao tầng hoặc thực sự là bất kỳ cấu trúc cơ học nào, từ các tòa nhà chọc trời đến các cấu trúc mới có lực cản thấp cho tàu thủy, hoặc thân của máy bay, ”Falcucci nói. “Ví dụ, sẽ có ít lực cản khí động học hơn đối với các tòa nhà cao tầng được xây dựng với một mạng lưới các đường gờ và lỗ tương tự? Nó sẽ tối ưu hóa việc phân phối các lực được áp dụng? Giải quyết những câu hỏi này là mục tiêu chính của nhóm. “

Tham khảo: “Mô phỏng dòng chảy khắc nghiệt cho thấy sự thích nghi về bộ xương của bọt biển sâu” của Giacomo Falcucci, Giorgio Amati, Pierluigi Fanelli, Vesselin K. Krastev, Giovanni Polverino, Maurizio Porfiri và Sauro Succi, 21 tháng 7 năm 2021, Nature .
DOI: 10.1038 / s41586-021-03658-1

Nghiên cứu này được hỗ trợ bởi CINECA Computational Grant (G. Falcucci), PRIN Projects (G. Falcucci), Forrest Research Foundation (G. Polverino), US National Science Foundation (M. Porfiri), và European Research Council trực thuộc Tài trợ trước ERC của Chương trình Horizon 2020 (S. Succi).

Theo Scitechdaily

What's your reaction?

Excited
0
Happy
0
In Love
0
Not Sure
0

You may also like

Leave a reply

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Website này sử dụng Akismet để hạn chế spam. Tìm hiểu bình luận của bạn được duyệt như thế nào.