احساس سوزن سوزن شدن پوست برای اکثر مردم آشناست، به خصوص که اخیراً واکسیناسیون علیه COVID-19 شتاب بیشتری گرفته است. اما وقتی سوزن پوست را سوراخ می کند دقیقا چه اتفاقی می افتد؟ پاسخ در الف آشکار می شود کاغذ جدید به تازگی منتشر شده در مجله مکانیک و فیزیک جامدات.
ماتیاس باکااستادیار دانشگاه بریتیش کلمبیا، وقتی با یک مشکل مهندسی مکانیک مواجه می‌شود، اغلب به دنبال پاسخ به دنیای طبیعی است – مانند اینکه چگونه یک مارمولک می‌تواند با بالشتک‌های انگشتانش به سطحی بچسبد، یا یک مورچه می‌تواند بسیاری از برگ‌ها را برش دهد. بارها سریعتر، بزرگتر از اندازه آن.
مهندسی با الهام از زیست به دکتر باکا کمک کرد، همراه با دکترا استفانو فرگونیزبرای پاسخ به این سوال که تاکنون حل نشده است، نحوه عملکرد مکانیک سوراخ کردن روی مواد نرم مانند پوست.
باکا توضیح می دهد: «برش در بقای ما و زندگی روزمره ما همه جا حاضر است. زمانی که غذا را می جویم، بافت را برش می دهیم تا قابل هضم شود. تقریباً هر گونه‌ای در قلمرو حیوانات با توانایی بریدن بافت برای تغذیه و محافظت از خود تکامل یافته است، بنابراین ویژگی‌های مورفولوژیکی و فیزیکی قابل توجهی را به دست می‌آورد تا این فرآیند را به طور موثر امکان‌پذیر کند.»
آنها یک نظریه مکانیکی برای تعیین نیروی بحرانی مورد نیاز برای وارد کردن سوزن – پدیده اصلی سوراخ کردن – ایجاد کردند. کار آنها یک مدل ساده و نیمه تحلیلی برای توصیف فرآیند، از آرگومان های ابعادی تا تحلیل اجزای محدود ارائه می دهد.
مکانیسم‌های دخیل در برش بافت‌های نرم تنها در چند دهه اخیر، در ابتدا با مطالعاتی در مورد خواص لاستیک، توجه مهندسی را به خود جلب کرده است. رویکردهای قبلی با استفاده از آزمایش‌های فیزیکی که نمی‌تواند تغییر شکل‌ها و مکانیسم‌های پیچیده شکست در سوراخ کردن سطح یک ماده نرم را به طور کامل اندازه‌گیری کند، نیروی لازم برای وارد کردن سوزن به بافت پس از سوراخ اولیه آن را تعیین کرده است.
در مقابل، مدل جدید ایجاد شده توسط Fregonese و Bacca در نهایت می تواند نیروی مشت را پیش بینی کند و این را با آزمایش های قبلی تأیید کند. آنها دریافتند که نیروی وارد کردن سوزن متناسب با استحکام بافت است و برعکس با شعاع سوزن مقیاس می شود – به این معنی که سوزن های نازک تر به نیروی کمتری نیاز دارند. اگرچه هر دو مشاهدات بصری هستند، اما یک پیش‌بینی کمی ارائه کردند. با این حال، آنچه مخالف است، نقش سختی مواد در این فرآیند است. سفتی بافت با نیروی پانچ معکوس می شود و بافت های نرم تر به نیروی بیشتری نیاز دارند (برای همان قدرت). تیم UBC در حال حاضر در حال انجام آزمایش‌های اضافی و اصلاح مدل هستند تا «عمیق‌تر» به فیزیک این مشکل بروند.
تاکنون نتایج آنها از مطالعات مختلف روی محلول های حیوانی به دست آمده است. در ابتدا Fregonese جانب دکتر Baca را گرفت آزمایشگاه میکرو و نانو مکانیک برای یک پروژه مرتبط با مکانیک چسبندگی در حیواناتی مانند گکو. با بررسی همپوشانی با این رشته و مشکل برش، آنها با همکاری بین المللی شروع به بررسی مبانی قلمه زدن و ارتباط با تکامل مورفولوژیکی حیوانات کردند. > آموزش برش برگ با کارشناس بیومکانیک حیوانات دکتر دیوید لابونته (کالج امپریال) و متخصص فیزیولوژی عضلانی دکتر ناتالی هولت (دانشگاه کالیفرنیا). آنها همچنین با UBC Okanagan همکاری می کنند دکتر کوین گولووین و همکار مهندس مکانیک دکتر گوین الفرینگ برای مطالعه تعامل بین بالستیک و ژل.
مدل نظری جدید آنها می تواند به مهندسان کمک کند تا کاربردهای متنوعی مانند تجهیزات حفاظتی، فرآیندهای خودکار شامل غذا و فناوری نوظهور جراحی رباتیک را توسعه دهند.
همچنین می‌تواند بر نحوه تجربه واکسن‌ها در آینده تأثیر بگذارد، چیزی که برای افرادی که اخیراً برای دریافت واکسن کووید-19 خود در صف ایستاده‌اند بسیار مهم است. برای مثال، فناوری آینده ممکن است گزینه‌هایی مانند پدهای یکبار مصرف خودکار مجهز به میکروسوزن‌ها را ارائه دهد – مانند مواردی که توسط UBC طراحی شده است. دکتر بوریس زوبر– برای سوراخ کردن پوست در عمق مناسب و با نیروی مناسب طراحی شده است.
###
“حفاری مواد جامد نرم: نظریه مکانیکی درج سوزن” منتشر شده در مجله مکانیک و فیزیک جامدات در دسترس است https://doi.org/10.1016/j.jmps.2021.104497.
این تحقیق توسط وزارت دفاع ملی کانادا، شورای تحقیقات علوم طبیعی و مهندسی کانادا و برنامه مرزهای انسانی در علم حمایت شده است.
مجله
مجله مکانیک و فیزیک جامدات
سلب مسئولیت: AAAS و EurekAlert! مسئولیتی در قبال صحت اخبار منتشر شده در EurekAlert ندارد! با مشارکت موسسات یا استفاده از هر گونه اطلاعات از طریق سیستم EurekAlert.