Peneliti Caltech mengatakan mereka telah menemukan cara matematis untuk menjelaskan mengapa moluska dapat membangun cangkang yang sangat konsisten di berbagai lingkungan. Studi yang dipimpin oleh engineer dan ilmuwan material Kaushik Bhattacharya bersama peneliti pascadoktoral Huan Liu ini menggambarkan pertumbuhan cangkang dengan seperangkat variabel kecil yang dapat mereproduksi bentuk mulai dari spiral nautilus hingga bentuk kipas kerang scallop.
Fakta kunci
- Studi ini diterbitkan di Proceedings of the National Academy of Sciences pada 23 Oktober.
- Para peneliti mengatakan model mereka memakai tiga unsur: kurva tepi cangkang yang tumbuh, faktor skala, dan sudut rotasi.
- Pendekatan ini dapat mereproduksi cangkang khas dari hampir semua kelas moluska.
- Tim mengatakan prosesnya pasif dan hemat energi, serta dapat menginspirasi manufaktur bagian-bagian kompleks.
- Makalah ini berjudul “Local growth laws determine global shape of molluscan shells.”
Mengapa model pertumbuhan cangkang ini penting untuk rekayasa?
Bagi insinyur dan ilmuwan material, nilai praktisnya ada pada kesederhanaan model ini: para peneliti mengatakan banyak bentuk cangkang dapat muncul dari pertumbuhan lokal berulang di tepi cangkang, bukan dari sistem yang harus melacak seluruh struktur. Itu membuat hasil ini relevan untuk upaya merancang cara yang lebih lembut dan lebih hemat energi untuk membuat bagian-bagian kompleks.
Para peneliti secara khusus menyinggung kemungkinan penggunaan dalam manufaktur manifold khusus untuk mesin jet. Kerangka mereka menunjukkan bahwa mengubah hanya dua nilai dalam hukum pertumbuhan dapat menghasilkan cangkang yang sangat berbeda sambil mempertahankan bentuk keseluruhan yang berulang.
- Apa yang mendorong bentuk: kurva awal, laju pertumbuhan, dan sudut rotasi.
- Apa yang tetap stabil: bentuk cangkang secara keseluruhan tetap berulang meski laju pertumbuhan berubah atau ada cacat kecil.
- Apa yang mungkin menyusul: metode manufaktur baru yang meniru pertumbuhan biologis pasif.
Bagaimana moluska terus membuat cangkang yang sama?
Para peneliti mengatakan jawabannya ada pada aturan pertumbuhan yang berulang di tepi depan cangkang. Setelah protokonk terbentuk, setiap langkah pertumbuhan menentukan langkah berikutnya, dan material baru hanya ditambahkan sepanjang kurva itu. Dalam model ini, seluruh cangkang dapat dibangun ulang dengan mengulangi aksi lokal tersebut dari waktu ke waktu.
Bhattacharya dan Liu mengatakan garis pertumbuhan cangkang mempertahankan bentuk yang sama dari satu tahap ke tahap berikutnya, dengan perbedaan yang ditangkap oleh skala dan rotasi. Itu mendorong mereka menggambarkan proses ini dengan Lie group, kerangka matematika untuk aksi berulang yang halus.
Apa yang ditunjukkan model ini lintas kelas moluska?
Model tersebut mampu menghasilkan bentuk hampir semua cangkang moluska yang diketahui dengan mengubah kurva awal dan faktor skala. Para peneliti mengatakan nilai skala, lambda, memiliki makna biologis: cangkang dalam kelas moluska yang sama memiliki lambda yang hampir sama, dan lima kelas pembawa cangkang masing-masing berada dalam rentang nilai yang sempit.
Kelas-kelas itu adalah Gastropoda, Bivalvia, Cephalopoda, Monoplacophora, dan Scaphopoda. Temuan ini menunjukkan bahwa bentuk cangkang bukan hanya beragam secara visual, tetapi juga diatur oleh seperangkat kecil parameter pertumbuhan yang mendasarinya.
Apa arti temuan ini bagi desain material?
Tim mengatakan cangkang moluska bersifat pasif dan hemat energi, karena hewan itu tidak memerlukan kendali tambahan untuk mengarahkan tiap tahap konstruksi berikutnya. Itulah yang membuat biologi ini menarik sebagai prinsip desain untuk manufaktur.
Bhattacharya mengatakan hasil ini menyiratkan metode yang lebih lembut dan lebih hemat energi untuk memproduksi bagian-bagian kompleks. Makalah ini didukung oleh Drinkward Postdoctoral Fellowship dan Howell N. Tyson, Sr., Professorship di Caltech.
