Pizza-enthousiastelingen weten heel goed dat een eenvoudige u-vormige kromming aan de korst kan voorkomen dat een dun plakje omhangt wanneer het van een bord wordt getild. Een team van ingenieurs van de Brown University heeft aangetoond dat vissen ongeveer dezelfde dynamiek kunnen gebruiken om hun vinnen te verstevigen om te zwemmen.

Met behulp van een wiskundig model en de makreelborstvin als illustratief voorbeeld, de onderzoekers laten zien hoe de vinstijfheid kan worden veranderd door een u-vormige kromming aan de basis van de vin aan te brengen. Het effect, zeggen de onderzoekers, zou ten grondslag kunnen liggen aan het vermogen van vissen om met zeer verschillende snelheden in allerlei soorten stromingen met grote manoeuvreerbaarheid te zwemmen.

"Een manier om wendbaarder te worden, is door de mogelijkheid te hebben om verschillende hoeveelheden kracht op het water uit te oefenen bij het wapperen met een vin, " zei Shreyas Mandre, een assistent-professor aan Brown's School of Engineering en een co-auteur van het onderzoek. "We denken dat vissen de kromming aan de basis van de vin moduleren om deze stijver of zachter te maken. die de kracht die ze op het water genereren verandert, die op hun beurt een deel van hun wendbaarheid ten grondslag kunnen liggen."

Het onderzoek is uitgevoerd in samenwerking met Khoi Nguyen en Madhusudhan Venkadesan van Yale University, Ning Yu van UCLA en Mahesh M. Bandi van Okinawa Institute of Science and Technology. Het staat beschreven in de Tijdschrift van de Royal Society Interface .

Het wiskundige model dat Mandre en zijn collega's hebben ontwikkeld, is van toepassing op een grote klasse vissen die bekend staat als Actinopterygii. Dit zijn vissoorten met waaierachtige vinnen gemaakt van lange buigzame botten die bij elkaar worden gehouden door een elastisch zacht weefsel.

In het algemeen, zeggen de onderzoekers, er is aangenomen dat de stijfheid van deze vinnen wordt berekend door de buigstijfheid van elk bot vermenigvuldigd met het aantal botten. Maar dat simpele plaatje negeert de mechanische wisselwerking tussen de buigzame botten en de elastische huid, die veel meer stijfheid zou kunnen produceren dan het eenvoudige model zou suggereren. Dat samenspel blijkt ook het mechanisme te zijn waarmee vissen de stijfheid van een vin veranderen via kromming aan de basis.

De onderzoekers keken naar micro-CT-scans van botarrays in makreelvinnen, die in grote lijnen representatief zijn voor straalvinnige vissen. Ze toonden aan dat de vorm van de botten ervoor zorgt dat ze gemakkelijker in bepaalde richtingen kunnen buigen, en dat de "voorkeurs" buigrichting van elk bot enigszins verkeerd is uitgelijnd ten opzichte van aangrenzende botten. Volgens hun wiskundige modus, deze opstelling betekent dat wanneer een kracht wordt uitgeoefend over een vin, de botten buigen collectief op een manier waardoor ze uit elkaar gaan. Echter, die spreidbeweging wordt tegengewerkt door het elastische weefsel dat de botten samenbindt, en het is die weerstand die de hele vin verstijft.

De manier waarop deze architectuur krachten overdraagt, is in grote lijnen vergelijkbaar met de manier waarop krachten worden overgedragen in een plak pizza die gebogen is aan de korst en over de lengte stijver wordt. Alleen in dit geval het effect van de kromming is "ingebakken" in de vin, wat betekent dat het de mechanische voordelen van een bocht heeft, zelfs als deze vlak is. Het toepassen van een werkelijke kromming aan de basis van de vin zou het verstijvende effect vergroten.

"Dus door de kromming aan te passen, vissen kunnen snel en dramatisch veranderen hoe hard ze op het water kunnen duwen, waardoor ze wendbaarder zouden kunnen worden", zei Mandre.

De onderzoekers zeggen dat hun model intrigerende mogelijkheden suggereert voor het ontwerp van robotzwemmers.

"Deze resultaten helpen ons de functionele betekenis van kromming in visvinnen te begrijpen, "zei Mandre. "Op die manier, het geeft een ontwerpprincipe dat we mogelijk kunnen gebruiken voor het ontwikkelen van robotaanhangsels voor zeer wendbare watervoortstuwing."