Modelowanie struktury i ruchu w cieczach
Wici i rzęski to krótkie i elastyczne organelle, które poruszają się dzięki okresowym odkształceniom strukturalnym generującym siły napędowe w cieczy. Finansowany ze środków UE projekt FLAGELLA ("Fluid mechanics of flagellar propulsion") poświęcony był wyjaśnieniu skomplikowanych interakcji między strukturą a cieczą w systemach biologicznych, w ramach multidyscyplinarnego podejścia. Badacze pracowali nad stworzeniem modeli poruszania się wici, ruchu falistego i architektury drzewa. Uczestnicy projektu FLAGELLA stworzyli model teoretyczny ruchu wici przy założeniu, że wici, podobnie jak mule, nie czerpią energii z otaczających je cieczy. Dzięki temu możliwe było obliczenie optymalnych kształtów i kinematyki bez stosowania sztucznych ograniczeń. Korzystając ze struktury samopodobnej opracowano ciągły model analityczny architektury drzewiastej szkieletu , aby uwzględnić opór wobec obciążeń wywoływanych siłą wiatru. Struktury samopodobne to takie, których proporcje poddane zostały małym, ale zachowanym w pewnej skali modyfikacjom (ich przykładem są duże i małe gałęzie drzew). Symulacje numeryczne potwierdziły skuteczność tego modelu. Stworzono algorytm ewolucyjny do symulacji ruchów falistych i oceny ich wpływu na kształt organizmu. Ruch falisty to rytmiczne ruchy ciała obserwowane u większości kręgowców wodnych. Jest to szczególnie ważne dla możliwości stworzenia mikrorobotów poruszających się w różnych lepkosprężystych środowiskach w organizmie człowieka. Naukowcy zbadali zależności między kształtem i ograniczeniami hydrodynamicznymi, dokonując oceny optymalnej budowy organizmów poruszających się za pomocą ruchów falistych. Ruchy przedstawiono za pomocą arbitralnych reguł okresowej krzywizny, po czym porównano wyniki analiz numerycznych dla zwierząt o różnym przekroju eliptycznym. Wśród analizowanych czynników znalazły się prędkości ruchu, niższe wydatki energetyczne oraz wszelkie zależności między tymi dwoma aspektami. Zwierzęta poruszające się ruchem falistym porównano z symulowanymi organizmami pływającymi ekonomicznie oraz pływającymi szybko. Co ciekawe, wyniki wskazują, że ewolucja promuje niższe wydatki energetyczne. Modele powstałe w toku realizacji projektu powinny mieć ważny wpływ na konkurencyjność Europy w wielu dziedzinach, w tym medycynie i nanonauce. Mogą znaleźć zastosowanie w takich dziedzinach, jak infekcje bakteryjne, ruchliwość plemników czy budowa mikrorobotów do przeprowadzania minimalnie inwazyjnych zabiegów i precyzyjnego dostarczania leków.
