Des tuyaux imprimés en 3D inspirés des intestins de requin surpassent les valves Tesla !

Des scientifiques de l’Université de Washington ont recréé les formes spirales distinctives des intestins de requin dans des tubes imprimés en 3D afin d’étudier le flux de fluides unique à l’intérieur de ces spirales. Leurs prototypes ont permis de maintenir les fluides en circulation dans une direction privilégiée sans avoir besoin de clapets pour contrôler ce flux, et ils ont montré des performances nettement supérieures à celles des soi-disant “valves Tesla”, notamment lorsqu’ils étaient fabriqués à partir de polymères souples, selon un nouvel article publié dans les Actes de l’Académie nationale des sciences.

Comme nous l’avons déjà rapporté, en 1920, l’inventeur d’origine serbe Nikola Tesla a conçu et breveté ce qu’il appelait un “conduit valvulaire“: un tube dont le design interne garantit que le fluide s’écoule dans une direction préférée, sans avoir besoin de pièces mobiles, ce qui le rend idéal pour des applications en microfluidique, entre autres. La clé du design ingénieux de la valve de Tesla repose sur un ensemble de boucles asymétriques en forme de goutte d’eau interconnectées.

Dans sa demande de brevet, Tesla a décrit cette série de 11 segments de contrôle de flux comme étant constituée de “gonflements, récessions, projections, déflecteurs ou seaux qui, tout en offrant pratiquement aucune résistance au passage de fluide dans une direction, autre que la friction de surface, constituent une barrière presque infranchissable pour son écoulement dans la direction opposée.” Et parce qu’elle réalise cela sans pièces mobiles, une valve Tesla est beaucoup plus résistante à l’usure due à une utilisation fréquente.

Tesla prétendait que l’eau s’écoulerait à travers sa valve 200 fois plus lentement dans une direction que dans l’autre, ce qui pourrait avoir été une exagération. Une équipe de scientifiques de l’Université de New York a construit une valve Tesla fonctionnelle en 2021, conforme à la conception de l’inventeur, et a testé cette affirmation en mesurant le flux d’eau à travers la valve dans les deux directions à diverses pressions. Les scientifiques ont découvert que l’eau ne s’écoulait en réalité que deux fois plus lentement dans la direction non privilégiée.

Le taux d’écoulement s’est avéré être un facteur critique. La valve offrait très peu de résistance à faibles débits, mais une fois que ce débit dépassait un certain seuil, la résistance de la valve augmentait également, générant des flux turbulents dans la direction inverse, bloquant ainsi le tube avec des tourbillons et des courants perturbateurs. Elle fonctionne donc davantage comme un interrupteur et peut également aider à lisser les flux pulsés, similaire à la façon dont les convertisseurs AC/DC transforment les courants alternatifs en courants directs. C’est peut-être même l’intention originale de Tesla en concevant la valve, étant donné que sa plus grande revendication à la gloire est l’invention de moteurs à courant alternatif ainsi qu’un convertisseur AC/DC.

Il est utile d’être un requin

La valve Tesla constitue également un modèle utile pour comprendre comment la nourriture se déplace dans le système digestif de nombreuses espèces de requins. En 2020, des chercheurs japonais ont reconstruit des micrographies de sections histologiques d’une espèce de requin-chabot en un modèle tridimensionnel, offrant un aperçu fascinant de l’anatomie d’un intestin en spirale de type rouleau. L’année suivante, des scientifiques ont réalisé des scans CT des intestins de requin et ont conclu que ces intestins sont des valves Tesla naturelles.

C’est ici que le travail du doctorant Ido Levin de l’Université de Washington et de ses co-auteurs entre en jeu. Ils avaient des questions concernant les recherches de 2021 en particulier. “L’asymétrie d’écoulement dans un tube sans clapets mobiles possède un potentiel technologique énorme, mais le mécanisme était déroutant,” a déclaré Levin. “Il n’était pas clair quelles parties de la structure intestinale du requin contribuaient à l’asymétrie et lesquelles servaient uniquement à augmenter la surface pour l’absorption des nutriments.”

Levin et son équipe ont imprimé en 3D plusieurs tubes avec une structure hélicoïdale interne imitant celle des intestins de requin, en variant certains paramètres géométriques comme le nombre de tours ou l’angle de la hélice. C’était une structure idéalisée, donc l’équipe était ravie lorsque la première série, fabriquée à partir de matériaux rigides, a produit l’asymétrie de flux espérée. Après un ajustement supplémentaire des paramètres, les tubes imprimés rigides ont produit des asymétries de flux qui correspondaient ou dépassaient celles des valves Tesla.

Mais les chercheurs n’en avaient pas fini. “[Les travaux précédents] ont montré que si vous connectez ces intestins dans la même direction qu’un tractus digestif, vous obtenez un écoulement de fluide plus rapide que si vous les connectez dans l’autre sens. Nous avons trouvé cela très intéressant d’un point de vue physique,” a déclaré Levin l’année dernière lors de la présentation des résultats préliminaires au 67ème Congrès annuel de la Biophysical Society. “L’un des théorèmes de la physique stipule effectivement que si vous prenez un tuyau, et que vous faites couler un fluide très lentement à travers, vous avez le même écoulement si vous l’inversez. Nous avons donc été très surpris de voir des expériences contradictoires avec la théorie. Mais ensuite, vous vous rappelez que les intestins ne sont pas faits d’acier, ils sont composés de quelque chose de souple, donc pendant que le fluide s’écoule à travers le tube, il le déforme.”

Cela a donné à Levin et à son équipe l’idée d’essayer de fabriquer leurs tubes à partir de polymères souples et déformables, les plus souples disponibles commercialement, pouvant également être utilisés pour l’impression 3D. Cette série de tubes a présenté des performances sept fois meilleures en termes d’asymétrie de flux par rapport à toutes les mesures antérieures des valves Tesla. Et puisque les intestins réels de requin sont environ 100 fois plus souples que les polymères utilisés, l’équipe pense qu’ils peuvent atteindre des performances encore meilleures, peut-être avec des hydrogels lorsque ceux-ci deviendront plus largement disponibles à mesure que l’impression 3D continuera d’évoluer. Le plus grand défi, selon les auteurs, est de trouver des matériaux souples capables de résister à de fortes déformations.

Enfin, en raison de leur conception tridimensionnelle, ces tuyaux peuvent accueillir des volumes de fluide plus importants, ouvrant des applications dans des dispositifs commerciaux plus volumineux. “Les chimistes étaient déjà motivés à développer des polymères qui sont simultanément souples, résistants et imprimables,” a déclaré Alshakim Nelson, co-auteur et expert dans le développement de nouveaux types de polymères. “L’utilisation potentielle de ces polymères pour contrôler l’écoulement dans des applications allant de l’ingénierie à la médecine renforce cette motivation.”

PNAS, 2024. DOI: 10.1073/pnas.2406481121 (À propos des DOI).

En tant que journaliste, je trouve fascinant de voir comment des études sur la biologie naturelle, comme celle des intestins de requins, peuvent conduire à des avancées technologiques. Cela prouve que la nature continue d’inspirer l’innovation dans nos propres conceptions techniques. J’espère qu’à travers ces recherches, nous pourrons non seulement mieux comprendre la biologie des requins, mais également améliorer nos technologies de manière significative.