Bomba inspirada em intestino de tubarão supera válvula de Tesla

Redação do Site Inovação Tecnológica - 14/10/2024

Os protótipos rígidos já igualaram a válvula de Tesla, mas os protótipos flexíveis venceram fácil.
[Imagem: Sarah L. Keller/University of Washington]

Bomba de fluxo assimétrico

Quando se trata de impulsionar um fluido, as pás fazem um trabalho essencial: De bombear sangue pelos corações, acelerar os motores ou simplesmente elevar a água até nossas caixas d'água, qualquer que seja seu modo de impulsão, as pás ajudam o fluido a fluir em uma direção. Sem elas, manter os líquidos indo na direção certa seria problemático.

Agora, engenheiros descobriram uma nova forma de não apenas enviar líquido através de um canal, mas de enviá-lo apenas na direção desejada, impedindo seu retorno. Embora já existissem "diodos" para fluidos, até agora esses mecanismos só funcionavam em microescala - o nome técnico para esse mecanismo é fluxo unidirecional de fluidos, ou assimetria de fluxo.

Para criar um sistema de grande porte para fazer fluidos fluírem em apenas uma direção, Ido Levin e colegas da Universidade de Washington foram buscar inspiração no intestino dos tubarões, que possuem estruturas que lembram o parafuso de Arquimedes, só que são flexíveis e altamente deformáveis.

Os intestinos humanos são essencialmente um tubo oco. Mas os tubarões e raias têm intestinos dotados de uma rede de espirais circundando uma passagem interna. Em uma publicação de 2021, outra equipe propôs que essa estrutura única promovia o fluxo unidirecional de fluidos através dos tratos digestivos dos tubarões e raias, sem depender de pás, aletas, abas ou quaisquer outros mecanismos para evitar o refluxo.

Levin então partiu dessa proposta e começou a desenvolver seu próprio mecanismo biomimético de fluxo assimétrico.

Um tubo flexível com uma estrutura helicoidal interna melhora o fluxo de fluido em uma direção, com usos em aplicações que vão da engenharia à medicina. Esta foto mostra oito protótipos impressos em 3D, com vários modelos de hélices.
[Imagem: Ido Levin/University of Washington]

Igualando a válvula de Tesla

"A assimetria de fluxo em um cano sem pás móveis tem um tremendo potencial tecnológico, mas o mecanismo era intrigante," confessou Levin. "Não estava claro quais partes da estrutura intestinal do tubarão contribuíam para a assimetria e quais serviam apenas para aumentar a área de superfície para absorção de nutrientes."

Para responder a essas questões, a equipe usou uma impressora 3D para construir uma série de tubos biomiméticos, todos com hélices internas inspiradas nos intestinos de tubarão. Eles variaram os parâmetros geométricos entre esses tubos, como o ângulo de inclinação da hélice e o número de pás.

Apesar de serem impressos usando materiais rígidos, alguns protótipos mantiveram uma forte preferência por um fluxo unidirecional. Então, ajustando ainda mais os parâmetros geométricos e aprimorando esses projetos mais promissores, os pesquisadores conseguiram aumentar a assimetria de fluxo até que ela rivalizasse com os projetos do famoso inventor Nikola Tesla, que há mais de um século patenteou a válvula de Tesla, um dispositivo de fluxo de fluido unidirecional sem partes móveis.

Foi o trabalho de dissecação feito por biólogos que abriu caminho para mais esta tecnologia biomimética.
[Imagem: Samantha C. Leigh et al. - 10.1098/rspb.2021.1359]

Vencendo Tesla

Mas a equipe queria mais: O próximo passo foi lançar mão das chamadas "estruturas deformáveis", que são feitas de materiais mais flexíveis, mais parecidas com as estruturas do intestino dos tubarões - se estruturas rígidas já igualaram a válvula de Tesla, talvez fosse possível superá-la.

A equipe então imprimiu uma segunda série de protótipos feitos de um polímero mais macio, que está disponível comercialmente. Essa nova série, usando tubos flexíveis, imita melhor os intestinos de tubarão graças à sua deformabilidade e às suas hélices internas. E, como esperado, os novos protótipos apresentaram um desempenho pelo menos sete vezes melhor em comparação a todas as válvulas de Tesla medidas anteriormente.

"Você não consegue vencer Nikola Tesla todo dia!" comemorou Levin.

E dá para melhorar: "Os intestinos reais [de tubarão] ainda são cerca de 100 vezes mais macios do que o nosso material macio, então há muito espaço para melhorias," disse a pesquisadora Naroa Sadaba, coautora do trabalho.

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