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    揭秘体内“毛发”如何用流动影响健康?

    2017年09月12日 19:13:44   来源:科技新发现

      我们的身体里面装有柔软、微小类似地毯般的绒毛,从我们的味蕾一直延伸到我们胃部,再到我们血管中的蛋白质链。在软组织表面上的这些毛状突起物与其浸入的流体电流弯曲和扭曲。现在,麻省理工学院的工程师已经找到了一种方法来预测这些微小、柔软的小绒毛如何在流体流动中而弯曲。通过实验和数学建模,他们发现:“僵硬的绒毛倾向于在流体流动中保持直立,而更有弹性的下垂绒毛容易产生电流”。

      然而,其中以正确的角度弯曲的绒毛既不柔软也不刚性,它可以影响流体流动方向。研究人员发现,当流体流向它们时,这种倾斜的绒毛会变直。在这种情况一点点,绒毛可以减缓流体流动,如同暂时升高的格栅。这可能有助于阐明毛状表面在身体中的作用。例如,研究人员认为血管和肠道中有角度的绒毛可能会弯曲,以保护周围组织免受过量的液体流动。

      这些发现还可以帮助工程师设计新的微流体装置,例如液压阀和二极管小芯片,使各种通道引导流体通过那些微小而有角度的绒毛。麻省理工学院机械工程的负责研究该课题的教授表示:“在非常小的尺度上,很难设计可以切换的功能。这些有角度的绒毛可以用于制造流体二极管,当流体沿一个方向流向另一个方向时,流体二极管从高电阻切换到低电平。”

      目前访课题大规模的工作已经做了很多,但是小规模的工作却很少,比如可以适用于生物绒毛的研究。 为了调查这些非常小的绒毛在流体流动中的行为,团队通过激光切割丙烯酸片中的小孔来制造柔软的绒毛,然后用液体聚合物填充孔。一旦凝固,研究人员就从丙烯酸模具中取出聚合物绒毛床。以这种方式,该团队制造了多张绒毛床,每张绒毛床大小如同一个小的Post-it笔记。对于每张床,研究人员改变了绒毛的密度、角度和弹性。

      然后,研究人员将每张绒毛床放置在流变仪中,这是由一个气缸组成的仪器。研究人员通常用液体填充气瓶之间的空间,然后旋转内筒并测量当液体拖动外筒时产生的扭矩。这样可以使用这个测量的扭矩来计算液体的粘度。实验中还将流变仪的内圆筒与每个绒毛床相衬,并用粘稠的蜂蜜状油填充圆筒之间的空间。然后,研究人员测量产生的扭矩,以及内筒旋转的速度。最终从这些测量中,计算出绒毛产生的阻抗或阻力。而我们看到阻抗的差异取决于流体流动。基本上,绒毛正在改变形状,并改变它们周围的流动。

      为了进一步研究,研究人员还开发了一个数学模型,以表明绒毛在流动的流体下的行为。研究人员制定了一个考虑到流体速度和绒毛尺寸等变量的公式,以重新计算定标流体速度与该流体内物体弹性的参数。

      他们发现,如果重新标定的速度太低,则毛发相对抗流动性并且稍微弯曲。如果重新标定的速度太高,则毛发容易在流体流动中弯曲或变形。在这种状态下,具有一定角度或弹性的绒毛表现出“不对称的阻力响应”。(科技新发现 康斯坦丁/文)

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