Nos corps sont doublés à l'intérieur de doux, tapis microscopiques de cheveux, des prolongements herbeux sur nos papilles, aux lits flous de microvillosités dans nos estomacs, pour extraire des brins de protéines dans nos vaisseaux sanguins. Ces projections poilues, ancré aux surfaces molles, se plier et se tordre avec les courants des fluides dans lesquels ils sont immergés.

Maintenant, les ingénieurs du MIT ont trouvé un moyen de prédire comment un si petit, des lits de cheveux mous se plieront en réponse à l'écoulement de fluide. Par des expériences et des modélisations mathématiques, ils ont trouvé que, sans surprise, les poils raides ont tendance à rester debout dans un écoulement fluide, tandis que plus élastique, les poils tombants cèdent facilement à un courant.

Il y a, cependant, un sweet spot dans lequel les poils, plié juste au bon angle, avec une élasticité ni trop molle ni rigide, peut affecter le fluide qui les traverse. Les chercheurs ont découvert que de tels poils inclinés se redressent lorsque du liquide s'écoule contre eux. Dans cette configuration, les poils peuvent ralentir un écoulement de fluide, comme une grille temporairement surélevée.

Les résultats, publié cette semaine dans la revue Physique de la nature , peut aider à éclairer le rôle des surfaces velues dans le corps. Par exemple, les chercheurs postulent que les poils inclinés dans les vaisseaux sanguins et les intestins peuvent se plier pour protéger les tissus environnants des écoulements de liquide excessifs.

Les résultats peuvent également aider les ingénieurs à concevoir de nouveaux dispositifs microfluidiques tels que des vannes hydrauliques et des diodes, de petites puces qui dirigent le flux de fluide à travers divers canaux, via des motifs de minuscules, poils biseautés.

« A très petite échelle, il est très difficile de concevoir des choses avec des fonctionnalités que vous pouvez changer, " dit Anette (Peko) Hosoi, professeur et chef de département associé pour les opérations au département de génie mécanique du MIT. "Ces poils coudés peuvent être utilisés pour fabriquer une diode fluide qui passe d'une résistance élevée à une résistance faible lorsque le fluide s'écoule dans une direction par rapport à une autre."

Hosoi est co-auteur de l'article, avec l'auteur principal et postdoctorant du MIT José Alvarado, ancien étudiant diplômé Jean Comtet, et Emmanuel de Langre, professeur au Département de mécanique de l'École Polytechnique.

De la fourrure de chat aux brosses à cheveux

« Il y a eu beaucoup de travail à grande échelle, étudier des fluides comme le vent passant devant un champ d'herbe ou de blé, et comment la flexion ou le changement de forme d'un objet affecte l'impédance, ou écoulement de fluide, ", dit Alvarado. "Mais il y a eu très peu de travaux à petite échelle qui peuvent être applicables aux cheveux biologiques."

Pour étudier le comportement de très petits poils en réponse à un écoulement de fluide, l'équipe a fabriqué des lits moelleux de cheveux en découpant au laser de minuscules trous dans des feuilles d'acrylique, puis rempli les trous avec du polymère liquide. Une fois solidifié, les chercheurs ont retiré les lits de cheveux en polymère des moules en acrylique.

De cette façon, l'équipe a fabriqué plusieurs lits de cheveux, chacun de la taille d'un petit post-it. Pour chaque lit, les chercheurs ont modifié la densité, angle, et l'élasticité des cheveux.

"Les plus denses sont comparables à la fourrure de chat à poils courts, et les plus bas sont quelque chose comme des brosses à cheveux en métal, " dit Alvarado.

L'équipe a ensuite étudié la façon dont les cheveux réagissaient au fluide qui s'écoulait, en plaçant chaque lit dans un rhéomètre, un instrument constitué d'un cylindre dans un autre. Les scientifiques remplissent généralement l'espace entre les cylindres avec un liquide, puis faites tourner le cylindre intérieur et mesurez le couple généré lorsque le liquide entraîne le cylindre extérieur. Les scientifiques peuvent ensuite utiliser ce couple mesuré pour calculer la viscosité du liquide.

Pour leurs expériences, Alvarado et Hosoi ont aligné le cylindre intérieur du rhéomètre avec chaque lit de cheveux et ont rempli l'espace entre les cylindres avec un visqueux, huile de type miel. L'équipe a ensuite mesuré le couple généré, ainsi que la vitesse à laquelle le cylindre intérieur tournait. A partir de ces mesures, l'équipe a calculé l'impédance, ou résistance à l'écoulement, créé par les poils.

"Ce qui est surprenant, c'est ce qui s'est passé avec les cheveux biseautés, " dit Alvarado. " Nous avons vu une différence d'impédance selon que le fluide s'écoulait avec ou contre le grain. Essentiellement, les cheveux changeaient de forme, et changer le flux autour d'eux."

"Physique intéressante"

Pour approfondir cela, l'équipe, dirigé par Comtet, ont développé un modèle mathématique pour caractériser le comportement des lits de poils mous en présence d'un fluide en écoulement. Les chercheurs ont élaboré une formule qui prend en compte des variables telles que la vitesse d'un fluide et les dimensions des cheveux, pour calculer la vitesse rééchelonnée—un paramètre qui décrit la vitesse d'un fluide par rapport à l'élasticité d'un objet dans ce fluide.

Ils ont constaté que si la vitesse rééchelonnée est trop faible, les poils sont relativement résistants à l'écoulement et ne se plient que légèrement en réponse. Si la vitesse rééchelonnée est trop élevée, les cheveux sont facilement pliés ou déformés dans l'écoulement du fluide. Mais juste entre les deux, comme dit Alvarado, "La physique intéressante commence à se produire."

Dans ce régime, un cheveu avec un certain angle ou élasticité présente une "réponse de traînée asymétrique" et ne se redressera que si le fluide s'écoule à contre-courant, ralentir le fluide. Un fluide s'écoulant de presque n'importe quelle autre direction laissera les poils inclinés - et la vitesse du fluide - non perturbés.

Ce nouveau modèle, Alvarado dit, peut aider les ingénieurs à concevoir des dispositifs microfluidiques, bordé de poils biseautés, qui dirigent passivement le flux de fluides à travers une puce.

Hosoi dit que les dispositifs microfluidiques tels que les diodes hydrauliques sont une pièce essentielle pour développer des systèmes hydrauliques complexes qui peuvent finalement faire un travail réel.

« Les ordinateurs et les téléphones portables ont été rendus possibles grâce à l'invention de produits bon marché, état solide, électronique à petite échelle, " Hosoi dit. " Sur les systèmes hydrauliques, nous n'avons pas vu ce genre de révolution parce que tous les composants sont complexes en eux-mêmes. Si vous pouvez faire petit, pompes à fluide bon marché, diodes, soupapes, et résistances, alors vous devriez pouvoir libérer la même complexité que nous voyons dans les systèmes électroniques, dans les systèmes hydrauliques. Maintenant, la diode hydraulique à semi-conducteurs a été découverte."