Indagine sul tasso

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12097 (2023) Citare questo articolo

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La puntura è un meccanismo vitale per la sopravvivenza in un'ampia gamma di organismi di tutti i phyla, svolgendo funzioni biologiche come la cattura delle prede, la difesa e la riproduzione. Comprendere come la forma dello strumento di foratura influisce sulle sue prestazioni funzionali è fondamentale per scoprire i meccanismi alla base della diversità e dell’evoluzione dei sistemi basati sulla foratura. Tuttavia, tali relazioni forma-funzione sono spesso complicate dalla natura dinamica dei sistemi viventi. I sistemi di puntura in particolare operano su un'ampia gamma di velocità per penetrare nei tessuti biologici. Gli studi attuali sulla biomeccanica della foratura mancano di una caratterizzazione sistematica della complessa interazione, mediata dalla velocità, tra strumento e materiale in questo intervallo dinamico. Per colmare questa lacuna di conoscenza, stabiliamo un quadro sperimentale altamente controllato per la puntura dinamica per studiare la relazione tra le prestazioni di puntura (caratterizzate dalla profondità della foratura) e l'affilatura dell'utensile (caratterizzata dall'angolo della cuspide) attraverso un'ampia gamma di bio- velocità di foratura rilevanti (da quasi statico a \(\sim\) 50 m/s). I nostri risultati mostrano che la sensibilità delle prestazioni di foratura alle variazioni dell’affilatura dell’utensile si riduce a velocità di foratura più elevate. Questa tendenza è probabilmente dovuta agli effetti viscoelastici e inerziali basati sulla velocità derivanti dal modo in cui i materiali rispondono ai carichi dinamici. La relazione forma-funzione dipendente dalla velocità ha importanti implicazioni biologiche: mentre gli organismi di puntura passivi/a bassa velocità probabilmente fanno molto affidamento su strumenti di puntura affilati per penetrare con successo e mantenere le funzionalità, i sistemi di puntura a velocità più elevata possono consentire una maggiore variabilità nella forma dello strumento di puntura a causa alle prestazioni di foratura relativamente insensibili alla geometria, consentendo una maggiore adattabilità durante il processo evolutivo ad altri fattori meccanici.

Identificare l'influenza della morfologia sulle prestazioni funzionali è essenziale per comprendere l'evoluzione dei sistemi biomeccanici. Tuttavia, il rapporto tra forma e funzione è spesso complicato sia dalle caratteristiche intrinseche del sistema sia da fattori esterni che possono esercitare una forte influenza sulle prestazioni1. La complessità intrinseca dei sistemi biomeccanici composti da più parti spesso porta a relazioni non lineari tra forma e funzione2,3, mentre fattori esterni come la temperatura possono alterare notevolmente le prestazioni dei sistemi fisiologici4,5,6. Un fattore che può esercitare una forte influenza sulle relazioni forma-funzione in un'ampia gamma di ambiti biologici è la dinamica del sistema1,7,8,9,10. Un esempio di ciò con conseguenze di vasta portata è che la velocità con cui un materiale biologico viene caricato (velocità di deformazione) può influenzare la sua risposta a detto carico, con materiali che spesso diventano più rigidi o più resistenti a velocità di deformazione più elevate1,11,12,13. Questa dipendenza dalla velocità di deformazione dei biomateriali può avere un grande effetto sulla loro resistenza ai danni, che a sua volta potrebbe influenzare notevolmente le prestazioni di un sistema. Qui esploriamo come la velocità di deformazione altera potenzialmente la relazione forma-funzione per un tipo specifico di danno: la perforazione biologica.

I sistemi di puntura biologica sembrano, in superficie, mostrare una relazione diretta tra morfologia e prestazione funzionale14. È stato dimostrato che l'affilatura dello strumento altera in modo significativo le prestazioni della puntura in una serie di organismi15,16,17,18. Tuttavia, nella maggior parte dei casi, questi studi hanno testato l'effetto dell'affilatura solo a velocità quasi statiche/basse (\(< 1{\mathrm{m/s}}\)), mentre gli eventi di foratura biologica possono verificarsi a velocità superiori a 60 m/s o più1,19,20,21 (Fig. 1). Il lavoro sugli eventi di foratura dinamica (> 1 m/s) ha dimostrato che ad alte velocità si verifica un irrigidimento della deformazione nei materiali bersaglio, in particolare quando il materiale è morbido e deformabile22,23,24. Dato il cambiamento nella risposta del materiale a velocità di carico elevate, la relazione tra la forma dell’utensile e le prestazioni di foratura cambia a velocità di foratura più elevate?