Remora-vissen zijn beroemde lifters van de zeewereld, met krachtige zuigschijven op de achterkant van hun hoofd om zich op een torpedo-achtige manier te hechten aan grotere gastheren die voedsel en veiligheid kunnen bieden - van walvissen en haaien tot boten en duikers.

De sleutel tot de hechting van de remora zijn de bekende mogelijkheden van de schijf voor het genereren van zuigkracht, evenals wrijving gecreëerd door stekelige botten in de schijf, lamellen genaamd, om zijn gastheer vast te houden. Echter, de factoren die de evolutie van remora's unieke schijfmorfologie aansturen, zijn onderzoekers lang ontgaan die probeerden te begrijpen, en zelfs nieuwe apparaten en lijmen te ontwikkelen die nabootsen, het griezelige vermogen van de vissen om zich vast te klampen aan verschillende soorten oppervlakten zonder hun gastheer te schaden of veel energie te verbruiken, vaak uren achtereen onder extreme oceanische krachten.

In een studie geleid aan het New Jersey Institute of Technology (NJIT), onderzoekers hebben een nieuwe biologisch geïnspireerde remora-schijf tentoongesteld die in staat is de passieve krachten van zuiging en wrijving na te bootsen die het vermogen van de vis versterken, tot 60% meer houvast dan is gemeten voor levende remora's bevestigd aan haaienhuid.

Het schijfmodel gebruiken om evolutionaire stuurprogramma's van de remora-schijf te verkennen, onderzoekers zeggen dat de bevindingen van het onderzoek bewijs leveren dat de huidige levende soorten remora in de loop van de tijd een groter aantal lamellen hebben ontwikkeld om hun houdkracht en het vermogen om zich te hechten aan een breder scala aan gastheren met gladdere oppervlakken te verbeteren, waardoor hun overlevingskans wordt vergroot.

De studie, te zien in Bio-inspiratie en biomimetica , geeft aan dat het schijfmodel kan worden gebruikt om het ontwerp van effectievere, goedkopere lijmtechnologieën in de toekomst.

"Het mooie achter het adhesieve mechanisme van remora is dat biologische weefsels inherent het meeste werk doen, " zei Brooke Flammang, hoogleraar biologische wetenschappen aan het NJIT die de studie leidde. "Het belangrijkste aspect van dit onderzoek is dat onze robotschijf volledig afhankelijk is van de fundamentele fysica die het adhesieve mechanisme in remoras aandrijft, waardoor we biologisch relevante prestaties kunnen bepalen en inzicht krijgen in de evolutie van de remora's schijf. Dit was voorheen niet mogelijk met eerdere ontwerpen waarvoor een menselijke operator nodig was om het systeem te besturen."

Afwijkend van veel van hun naaste aaseterachtige voorouders, zoals cobia (Rachycentron canadum), de remora-vis (van de familie Echeneidae) wordt verondersteld zich voor het eerst te hechten aan gastheren met ruwe oppervlakken, verwant aan haaien, na bijna 32 miljoen jaar geleden zijn zuigschijf te hebben ontwikkeld uit rugvinstekels. De schijf van levende remoras heeft nu een vlezig zachte buitenlip voor zuigkracht, terwijl de binnenkant van de schijf veel meer lineaire rijen weefsel (lamellen) herbergt met tandachtige weefseluitsteeksels (spinules), die de vis opheft om wrijving te genereren tegen verschillende gastlichamen om uitglijden tijdens het liften te voorkomen.

Volgens Flammang, terwijl wetenschappers enig licht hebben geworpen op de oorsprong van de gewijzigde vinstructuur van de remora, fundamentele aspecten van de evolutie van de schijf zijn grotendeels onduidelijk gebleven.

"De evolutie van de remora's schijf is grotendeels onbekend, " zei Flammang. "Er is één fossiele remora, Opisthomyzon, in het fossielenbestand dat een schijf heeft met minder lamellen [dan de huidige remora's] zonder doornuitsteeksels naar de achterkant van het hoofd."

Flammang zegt dat dit twee vragen oproept:'hoe' en 'waarom'.

"Het 'hoe' komt van de rugvin, hoewel de tussenliggende evolutionaire stadia niet bekend zijn, " legde Flammang uit. "Als je naar een fylogenie van remoras kijkt, laat het zien dat die soorten waarvan wordt gedacht dat ze meer afgeleid zijn, meer lamellen hebben ... het 'waarom' is verondersteld voor hechtende prestaties, maar dat is nooit getest voor deze paper."

Meer leren, Kaelyn Gamel, de eerste auteur van de studie en voormalig afgestudeerd onderzoeker in het Flammang-lab, ontwierp een remora-geïnspireerde schijf van commercieel verkrijgbare 3D-geprinte materialen die autonoom de hechting aan verschillende oppervlakken kon behouden en kan worden aangepast door lamellen toe te voegen en te verwijderen, waardoor het team de prestaties van een verhoogd aantal lamellen op afschuifadhesie kan onderzoeken.

"Het vermogen van onze schijf om lamellen toe te voegen en te verwijderen terwijl het als een passief systeem fungeerde, stelde ons in staat om de hoeveelheid wrijving samen met de omgevingsdruk in de schijf te veranderen, " zei Gamel, nu een Ph.D. onderzoeker aan de Universiteit van Akron. "We konden het verschil vergelijken tussen geen wrijving, wat wrijving en veel wrijving op basis van de variatie in het aantal lamellen."

In samenwerking met Austin Garner, een onderzoeker aan de Universiteit van Akron, het team voerde pull-off-tests uit met hun modelschijf onder water, experimenteren met het aantal lamellen van het model (maximaal 12 lamellen) om de afschuifkracht en de tijd te meten die nodig waren om de schijf uit siliconenvormen te trekken met oppervlakken variërend van volledig glad tot oppervlakken die de ruwheid van de haaienhuid overschrijden (korrel 350, korrel 180 en korrel 100).

Algemeen, het team ontdekte dat de kleefkracht van hun schijf sterk gecorreleerd was met een toename van de lamellen van de schijf, het waarnemen van een "sweet spot" in zuigkracht tussen negen en twaalf lamellen. Wanneer gewijzigd tot 12 lamellen en 294 spinules, de schijf van het team woog slechts 45 gram en weerstond 27 N (newton) krachten gedurende 50 seconden - bijna drie keer de kracht die normaal gesproken een remora van een haai zou trekken. Uit de tests bleek ook dat er minimaal zes lamellen nodig waren om de hechting te behouden.

"Het meest opvallende aan deze resultaten is dat voor een bepaalde schijfvorm, er een optimaal bereik is waarin de wrijvings- en zuigverschijnselen in evenwicht zijn, en [naarmate hun schijf groter is geworden] zijn remora's geëvolueerd om deze goede plek van hoogwaardige hechting te behouden, ’ legde Flammang uit.

Het team zegt nu dat hun remora-schijfmodel zal worden gebruikt voor toekomstige evolutionaire studies om te leren of zuigkracht of wrijving de overhand heeft in de vroegste remora-voorouders en hoe de evolutie van de schijfvorm de hechting beïnvloedt. De schijf kan ook technische toepassingen hebben in alles, van medische biosensoren en apparaten voor het afleveren van medicijnen tot geo-sensing-tags voor ecologische studies en het volgen van het leven in zee." Een van de grootste voordelen van ons ontwerp is dat het autonoom werkt omdat het alleen afhankelijk is van de fysica van het systeem voor de werking, ", aldus Flammang. "Dit maakt het gemakkelijk schaalbaar voor een veelvoud aan nieuwe technologieën, zowel voor medische als wetenschappelijke doeleinden."