Исследователи из Университета Колорадо в Боулдере разработали прорывное понимание того, как животные развивают свои характерные пятна и полосы, раскрыв, что «несовершенства» природы на самом деле являются ключом к созданию реалистичных узоров. Исследование, опубликованное 27 октября в журнале Matter, может проложить путь к созданию передовых материалов, которые меняют цвет по требованию.
Революционная модель объясняет прекрасные несовершенства природы
Исследовательская группа под руководством Анкура Гупты из факультета химической и биологической инженерии Университета Колорадо в Боулдере усовершенствовала свою предыдущую теорию, включив размеры отдельных клеток в компьютерные симуляции. Это, казалось бы, простое добавление привело к созданию удивительно точных воссозданий природных узоров, включая неправильные пятна, встречающиеся у леопардов, и различную толщину полос, наблюдаемую у зебр.
«Несовершенства встречаются повсюду в природе», — сказал Гупта. «Мы предложили простую идею, которая может объяснить, как клетки собираются вместе, создавая эти вариации».
Прорыв основывается на работе команды 2023 года, которая улучшила теорию формирования узоров математика Алана Тьюринга 1952 года, добавив механизм, называемый диффузиофорезом — тот же физический процесс, который помогает удалять грязь при стирке. Хотя их более ранняя модель успешно создавала более четкие узоры, чем оригинальные уравнения Тьюринга, результаты были слишком однородными, при этом все шестиугольники выглядели одинаковыми по размеру и форме.
От идеальных симуляций к реалистичной биологии
Исследователи обнаружили, что включение определённых размеров клеток в их модель диффузиофореза начало производить несовершенные текстуры, наблюдаемые у реальных животных. Гупта использует аналогию с шариками для пинг-понга разных размеров, движущимися по трубе — более крупные шарики создают более толстые контуры, а когда они скапливаются или сталкиваются, они формируют более широкие узоры с естественными разрывами.
«Мы способны зафиксировать эти несовершенства и текстуры просто придавая этим клеткам размер», — объяснил Гупта. Симуляции теперь показывают разрывы и зернистые текстуры, которые близко напоминают то, что встречается в природе, от фиолетово-чёрных шестиугольных узоров украшенного кузовка, обитающего в австралийских водах, до разнообразных полос зебр.
Применение за пределами биологии
Исследование имеет значительные последствия для материаловедения и медицины. Понимание того, как собираются клетки, создающие узоры, может помочь инженерам разработать синтетические материалы, которые меняют цвет в зависимости от условий окружающей среды, подобно коже хамелеона. Эта технология также может продвинуть системы адресной доставки лекарств к определенным частям тела.
«Мы черпаем вдохновение из несовершенной красоты природной системы и надеемся использовать эти несовершенства для новых видов функциональности в будущем», — сказал Гупта. Команда планирует включить более сложные клеточные взаимодействия и поведение химических агентов для дальнейшего усовершенствования своих симуляций.
Комментариев нет:
Отправить комментарий