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Strukturen und Bewegung in Flüssigkeiten modellieren

Wissen über Fluid-Struktur-Wechselwirkungen ist unerlässlich, sofern man Prozesse wie etwa die Dynamik bakterieller Infektionen, die Fortpflanzung von Säugetieren und das Funktionieren von Meeresökosystemen durchschauen möchte.
Strukturen und Bewegung in Flüssigkeiten modellieren
Geißeln und Flimmerhärchen sind kurze und elastische Organellen, welche die Bewegung ermöglichen, indem sie zur Erzeugung von Vortriebskräften in Flüssigkeiten einer periodischen Strukturverformung unterzogen werden. Das EU-finanzierte FLAGELLA-Projekt ("Fluid mechanics of flagellar propulsion") klärte die komplexen Fluid-Struktur-Wechselwirkungen in biologischen Systemen unter Einsatz eines multidisziplinären Ansatzes auf. Die Forscher arbeiteten an der Entwicklung von Modellen des Geißelantriebs, des wellenförmige Schwimmens und von Baumarchitekturen.

Die FLAGELLA-Forscher entwickelten ein theoretisches Modell für den Geißelantrieb unter der Annahme, dass die Flagellen, wie Muskeln, keine Energie aus den umliegenden Flüssigkeiten entnehmen. So konnten sie die optimalen Formen und die richtige Kinematik ohne Einsatz künstlicher Einschränkungen berechnen.

Die Wissenschaftler entwickelten ein kontinuierliches analytisches Modell, das die Baumskelettarchitektur repräsentiert und nutzten eine selbstähnliche Struktur, um den Widerstand gegenüber von durch Wind ausgelösten Belastungen zu berücksichtigen. Bei selbstähnlichen Strukturen werden die Proportionen einer Struktur kleineren, aber maßstäblichen Modifikationen unterzogen (wie z. B. bei kleinen und großen Baumästen). Numerische Simulationen konnte die Robustheit dieses Modells bestätigen.

Es wurde ein evolutionärer Algorithmus entwickelt, um das wellenförmige Schwimmen darzustellen und die Auswirkungen auf die Form des Organismus zu bewerten. Die wellenförmige Bewegung ist eine rhythmische wellenartige Körperbewegung, die bei in den meisten aquatischen Wirbeltieren zu beobachten ist. Besondere Bedeutung hat sie für die Gestaltung von Mikrorobotern, die sich in verschiedenen, im menschlichen Körper vorhandenen, viskoelastischen Umgebungen fortbewegen können.

Die Forscher erkundeten den Zusammenhang zwischen Form und hydrodynamischen Einschränkungen, indem sie die optimale Gestaltung wellenförmiger Schwimmer bewerteten. Die Bewegungen wurden unter Anwendung willkürlicher periodischer Krümmungsgesetze dargestellt. Die rechnerischen Ergebnisse wurden für Tiere mit unterschiedlichem elliptischen Querschnitt verglichen. Zu berücksichtigende Faktoren waren höhere Schwimmgeschwindigkeiten, geringere energetische Kosten und jegliche Kompromisse zwischen diesen beiden. Wellenförmig schwimmende Tiere wurden mit rechnerisch erzielten optimierten Schwimmern und schnellen Schwimmern verglichen. Interessanterweise zeigten die Resultate, dass die Evolution die geringeren energetischen Kosten begünstigt.

Die im Projektverlauf entwickelten Modelle sollten die Wettbewerbsfähigkeit Europas stark beeinflussen und somit weitreichende Anwendung im Gesundheitsbereich wie auch in den Nanowissenschaften finden. Einige wichtige Anwendungsbereiche sind bakterielle Infektionen, Spermienbeweglichkeit sowie die Gestaltung von Mikrorobotern für die minimal-invasive Chirurgie oder einen gezielten Wirkstofftransport.

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