Thiết kế này có thể truyền cảm hứng cho các hệ thống đẩy dưới nước cải tiến, vật liệu robot mới và thậm chí là cả các thiết kế máy bay mới.
Hầu hết, các loài cá đều có tai cây - những chiếc gai dài, xương xẩu giúp làm cứng các màng mỏng collagen tạo nên vây của chúng. Mỗi gai này được tạo bởi hai dãy xương nhỏ cứng bao quanh một lớp bên trong mềm hơn.
Từ lâu, các nhà sinh vật học đã biết rằng, cá có thể thay đổi hình dạng vây bằng cách sử dụng các cơ và gân có chức năng đẩy hoặc kéo ở gốc của mỗi gai, nhưng rất ít nghiên cứu được thực hiện khi xem xét cụ thể những lợi ích cơ học của cấu trúc phân đoạn.
Để nghiên cứu các tính chất cơ học của chúng, Giáo sư Francois Barthelat (Khoa Cơ khí Đại học Colorado Boulder) và đồng nghiệp đã sử dụng các mô hình lý thuyết và vây in 3D để so sánh gai phân đoạn với các gai làm bằng vật liệu dẻo không phân đoạn.
Họ chỉ ra rằng rất nhiều đoạn xương nhỏ đóng vai trò như các điểm bản lề, giúp việc uốn hai hàng xương ở gai bên này sang bên kia dễ dàng. Sự linh hoạt này cho phép các cơ và gân ở gốc gai biến dạng vây với lực tối thiểu.
Trong khi đó, thiết kế bản lề giúp gai khó bị biến dạng dọc theo chiều dài của nó. Điều này giúp các vây không bị xẹp khi chúng phải chịu áp lực của nước trong quá trình bơi. Trong gai nhân tạo được in 3D của nghiên cứu, các thiết kế phân đoạn dễ biến hình hơn bốn lần so với các thiết kế không phân đoạn trong khi vẫn giữ nguyên độ cứng.
Vật liệu biến hình, vật liệu có thể thay đổi hình dạng có hai loại. Một số rất linh hoạt, giống như hydrogel, nhưng những vật liệu này dễ dàng sụp đổ khi chịu tác động của lực bên ngoài. Vật liệu biến hình cũng có thể rất cứng, như một số vật liệu tổng hợp hàng không và cần rất nhiều lực để tạo ra những thay đổi nhỏ về hình dạng của chúng.
Thiết kế cấu trúc phân đoạn của vây cá khắc phục được sự đánh đổi về chức năng trên bởi cả tính linh hoạt lẫn rắn chắc. Vật liệu dựa trên thiết kế này có thể được sử dụng trong động cơ đẩy dưới nước và cải thiện tốc độ cũng như tính linh hoạt của tàu ngầm lấy cảm hứng từ cá.
Chúng cũng có thể cực kỳ có giá trị trong lĩnh vực robot mềm và cho phép các công cụ biến đổi thành nhiều hình dạng khác nhau trong khi vẫn có thể nắm các vật thể khác bằng nhiều lực.
Thiết kế gai phân đoạn thậm chí có thể mang lại lợi ích cho lĩnh vực hàng không vũ trụ. Những đôi cánh biến hình không chỉ có thể thay đổi hoàn toàn hình dạng của chúng, mà còn đem lại lực khí động học lớn sẽ cách mạng hóa cách máy bay cất cánh, vận động và hạ cánh.
Mặc dù, nghiên cứu này đã đi một chặng đường dài trong việc giải thích cách hoạt động của vây cá, nhưng cơ chế hoạt động khi vây cá bị cong ra xa khỏi vị trí bình thường của chúng vẫn còn là một bí ẩn.
Collagen có xu hướng trở nên càng cứng khi càng bị biến dạng và nhóm nghiên cứu nghi ngờ rằng phản ứng cứng này - cùng với cách các sợi collagen được định hướng trong vây cá - cải thiện hiệu suất cơ học của vây khi chúng bị biến dạng nhiều.
Mục tiêu cuối cùng của Giáo sư Francois Barthelat là phát triển các vật liệu và thiết bị mới lấy cảm hứng từ các đặc tính cơ học của vây cá. Nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ thuyết phục được nhiều kỹ sư trong giới học thuật và khu vực tư nhân hơn rằng, các thiết kế lấy cảm hứng từ vây cá có thể cung cấp hiệu suất cải thiện cho nhiều ứng dụng khác nhau.
