Su ve diğer sıvılar, birçok yapıştırıcının tutunma mekanizmalarını bozarak ıslak yüzeylerde etkisiz kalmasına neden olur. Ancak evrim, bu soruna deve balığı (remora) ile harika bir çözüm bulmuş. Bu balıklar, kafalarının üstündeki vantuz benzeri diskleri sayesinde yunuslar, köpek balıkları ve hatta manta vatozları gibi canlılara yapışabiliyor.
Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nden (MIT) bir bilim insanı ekibi, bu deve balığı disklerini yakından inceleyerek tersine mühendislik yöntemleriyle yeniden tasarladı. Ekip, çalışmanın kıdemli yazarlarından MIT Makine Mühendisliği Bölümü Profesörü Giovanni Traverso, "Temel olarak doğadan ilham aldık" diyor.
Çeşitli Yüzeylere Tutunma Kabiliyeti
Deve balıklarının yapışkan diskleri, vücudun üst kısmında, başın hemen arkasında bulunan ilk sırt yüzgecinin evrimsel bir adaptasyonudur. Disk, muhtemelen omurganın bazı parçalarından evrimleşmiş bir kemik yapısı olan ara omur (intercalary backbone) üzerine oturur. Bu kemiksi yapı, lamella adı verilen ve spinül adı verilen küçük geriye dönük dikenlere sahip özel kemik plakalarını destekler. Tüm disk, üstü açık yumuşak doku bölmeleriyle kaplıdır. Traverso, "Bu, deve balığının yumuşak vücutlu, hızlı hareket eden deniz canlılarına çok güvenli bir şekilde yapışmasını sağlıyor" diye açıklıyor.
Deve balığı, diski konakçının derisine bastırarak bu bölmelerdeki suyu dışarı atar ve düşük basınçlı bir alan oluşturur. Ardından spinüller, konakçının yüzeyiyle mekanik olarak kenetlenir ve tüm sistem, bir vantuz ile cırt cırtlı bandın birleşimi gibi çalışır. Balık, konakçıdan ayrılmak istediğinde diski kaldırır, bölmelere suyun geri girmesine izin vererek vakumu kaldırır. Ayrıldıktan sonra kolayca yüzerek uzaklaşabilir.
Bilim insanlarını en çok etkileyen şey ise bu disklerin çok yönlülüğü oldu. Örneğin, mercan resifleriyle ilişkili deve balığı türleri gibi genelcil olanlar, diğer balıklar, köpek balıkları veya kaplumbağalar gibi çeşitli konakçılara yapışabiliyor. Açık denizde yaşayan türler ise daha uzmanlaşmış ve balinalar, kılıç balıkları veya marlinlere yapışıyor. Çoğu deve balığı konakçılarının dış dokularına yapışırken, bazı türler manta vatozlarının ağız boşluklarına ve solungaç odacıklarına bile yapışabiliyor.
Bu farklı disklerin hepsinin suda bu kadar iyi yapışmasını sağlayan şeyi anlamak için ekip, öncelikle anatomilerini ayrıntılı olarak inceledi. Disketler arasındaki farkın çoğunlukla lamellaların konumlanmasında olduğu ortaya çıktı. Genelci türler paralel ve açılı lamellaların bir karışımına sahipken, hızlı yüzen konakçılara yapışan deve balıklarında lameller çoğunlukla paraleldir. Diğer bir tür ise baskın bir lamella yönelim desenine sahip olmayıp, lamelleri çok çeşitli açılarda konumlandırmıştır.
Araştırmacılar, deniz keşifleri veya su altı imalatı gibi geniş bir uygulama yelpazesi için çalışacak bir yapışkan cihaz yapmak istedi. Ancak başlangıçtaki hedefleri, sindirim sisteminin iç duvarlarına güvenilir bir şekilde yapışabilen bir ilaç dağıtım platformu tasarlamaktı. Bu nedenle, başlangıç noktası olarak, konakçının içine yapışabilen türlerin disklerini seçtiler ve geliştirdikleri cihaza Mekanik Su Altı Yumuşak Yapışma Sistemi (MUSAS) adını verdiler.
Ancak sadece biyolojik taklitçi, birebir kopyala-yapıştır bir tasarım tercih etmediler. Traverso, "Bazı şeyleri farklı yaptık" diyor.
Doğayı Geliştirmek
İlk önemli fark, cihazın yerleştirilmesiydi. MUSAS'ın hedef konuma ulaşması için sindirim sisteminden aşağı doğru seyahat etmesi gerekiyordu, bu yüzden ilk zorluk bunu bir hap içine sığdırmaktı. Ekip, Gıda ve İlaç Dairesi (FDA) tarafından onaylanmış en büyük yutulabilir form olan 000 boyutu kapsülü seçti. MUSAS, deve balığı diskleri gibi destekleyici bir yapıya sahipti ancak paslanmaz çelikten yapılmıştı. Deve balığı lamellerinden esinlenerek üretilen ve spinüllere sahip açılı lameller, şekil hafızalı nikel-titanyum alaşımından yapıldı. Deve balığının diski bölmelere ayırarak vakum oluşturan yumuşak dokularının rolünü ise bir elastomer üstlendi.
MUSAS, büyük hapın içinde katlanmış bir şekilde yutulacaktı. MIT'de Traverso'nun grubunda araştırmacı ve çalışmanın baş yazarı olan Ziliang Kang, "Kapsül, belirli bir pH ortamında çözünecek şekilde ayarlandı, bu da hedef konumu belirlememizi sağlıyor - örneğin ince bağırsak, mideden biraz farklı bir pH'a sahip" diye açıklıyor. Salındıktan sonra, MUSAS'ın lamella benzeri yapılarındaki şekil hafızalı alaşım, vücut sıcaklığına tepki olarak açılacak ve tüm sistem, yemek borusu, mide veya bağırsaklar olsun, hedef organın duvarına yapışacaktı.
Yapışma mekanizması da deve balıklarından biraz farklıydı. Traverso, "Balık yüzeye yapışmak istediği yüzeye aktif olarak kendini bastırabilir. MUSAS bunu yapamaz, bu yüzden gerekli kuvveti uygulamak için sindirim sistemindeki peristaltik hareketlere güvendik" diye açıklıyor. Kaslar kasıldığında, MUSAS duvara bastırılacak ve ona yapışacaktı. Ve bu yapışmanın oldukça uzun sürmesi bekleniyordu.
Ekip, MUSAS'ın performansını birkaç farklı senaryoda değerlendirmek için bir dizi deney yürüttü. İlaç dağıtım platformu uygulaması domuz organ örnekleri üzerinde test edildi. MUSAS, örnek sindirim sisteminde ortalama dokuz gün kaldı ve en uzun yapışma süresi üç buçuk haftaya ulaştı. MUSAS, örneklerden yiyecek ve sıvı geçerken bile yerinde kalmayı başardı.
Ekip, "dinamik girişime direnme" olarak adlandırdıkları şeyi test etmek için cihazları pipetle dürdüğünde bile, MUSAS sadece biraz kaydı ancak sıkıca yapışık kaldı. Diğer deneyler arasında MUSAS'ın canlı balıkların dış dokularına sıcaklık sensörlerini takmak ve canlı domuzların sindirim sistemindeki geri akış olaylarını tespit edebilen sensörleri yerleştirmek yer alıyordu.
Genişleyen Kullanım Alanları
Ekip, MUSAS'ı daha geniş bir ilaç ve mRNA aşısı yelpazesiyle uyumlu hale getirmek için çalışıyor. Traverso, "Doku uyarımı için de düşünüyoruz" diyor. Aklındaki çözüm, MUSAS'ı sindirim sisteminin duvarlarına elektrik darbeleri uygulamak için kullanacak; Traverso'nun laboratuvarı, bunun iştah düzenleyici hormonları aktive edebileceğini göstermişti. Ancak ekip, yalnızca tıbbi uygulamaların ötesine geçmek istiyor.
Ekip, MUSAS'ın yapışkanlık konusunda gerçekten güçlü olduğunu gösterdi. Bir yüzeye yapıştığında, kendi ağırlığından binden fazla kat daha fazla ağırlık taşıyabiliyor. Bu, MUSAS'ı poliüretan yapıştırıcılar veya epoksi reçineler gibi en iyi yapıştırıcılardan bazılarıyla hemen hemen aynı seviyeye getiriyor. Dahası, bu yapışma gücü, MUSAS yumuşak, düzensiz ve ıslak yüzeylere yapışmışken ölçüldü. Kang, "Sert, düz bir yüzeyde, kuvvet-ağırlık oranı daha da yüksek olmalı" diye iddia ediyor. Ve Kang, bunun MUSAS'ın ölçeklendirilmiş varyantlarını su altı imalatı için uygun hale getirdiğini düşünüyor.
Kang, "Gördüğüm ilk senaryo, MUSAS'ı yumuşak nesnelerin etrafında hareket eden robotik kollara takılmış tutucular olarak kullanmak" diye açıklıyor. Şu anda bu, kumaşa veya başka bir yüzeye basitçe emen vakum sistemleri kullanılarak yapılıyor. Ancak bu çözümler oldukça karmaşık ve ağır. Ölçeklendirilmiş MUSAS, aynı şeyi pasif olarak başarabilmeli, maliyeti ve ağırlığı azaltmalıdır. Kang'ın ikinci fikri, MUSAS'ı teknelerin veya gemilerin su altı bakım işlerini yapmak için tasarlanmış robotlarda kullanmak. Traverso, "Neler yapabileceğimizi gerçekten görmek istiyoruz" diyor.
