物理学家发现生物材料的内在特性,解释肌腱的机械效率

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欧洲杯买球app官方网站学院物理学教授马克·伊尔顿和他的四名学生正在庆祝他们的研究成果在《欧洲杯买球app官方网站》杂志上发表 英国皇家学会界面杂志, 哪个出版物理和生命科学交叉领域的高质量研究文章.

主要作者Lucien Tsai ' 24以及Ilton和共同作者Paco Navarro ' 25, 23岁的Ingrid Wu和25岁的Taylor Levinson在Ilton的软物质物理(PoSM)实验室进行了夏季研究,并发表了他们的论文, “粘弹性材料在以相同速率加载和卸载时是最节能的.正如论文的标题所暗示的那样, 该研究描述了该小组对生物弹簧的机械能量效率(e.g. 肌腱).

“通过了解这些材料的特性,蔡崇信说, “我们可以提取出设计仿生弹簧驱动机构的原理. 本研究考察了这些弹簧的加载和卸载速率之间的差异如何影响其性能.”

研究结果, 通过创新的机械实验获得, 和, 与加州大学的生物学家合作, 欧文, 揭示一个关键的联系:对称速率, 以相等的装卸时间为特征的, 提供卓越的机械效率. “使用数学模型, 我们发现生物材料的固有特性是造成这种速率依赖效应的原因:它们的层次结构赋予了广泛的松弛时间范围,从而导致对对称速率的有效响应,蔡崇信说.

Ilton说Tsai, 自2021年该项目启动以来,谁参与了该项目, 帮助将研究引向了与Ilton预期不同的方向. “我最初关于如何模拟肌腱对不同加载和卸载速率的反应的建议是完全不充分的,伊尔顿说. “我建议在材料中使用单一特征时间的简化模型. 吕西安想要采取一种不同的方法, 他在他的肌腱模型中加入了一系列的特征时间. 正是这种见解使我们得出了这篇论文的主要发现之一:当你以相同的速度加载和卸载肌腱时,它们的机械效率如此之高的原因是因为它们的材料松弛具有广泛的特征时间范围.”

“发表第一篇论文是一个激动人心的时刻!伊尔顿这样评价他的学生. “学生们发现了一些新的东西,这真的是一种令人上瘾的体验. 这篇论文不仅帮助学生建立了他们作为科学家的记录, 但他们也经历了严格的同行评审过程. 我认为以一种积极的方式来处理对你工作的批评可以培养你的技能和性格, 哪种东西可以更广泛地转化为生活呢.”

本项目由学院物理暑期研究基金的捐助者和国家科学基金会的资助而成为可能.