Протез плавника может спасти раненых редких черепах
Исследователи из лаборатории BioDesign Оклендского технологического университета (AUT) разработали протез плавника для реабилитации травмированных морских черепах. Здоровье океанов зависит от черепах, но они часто получают травмы из-за деятельности человека (лодки, рыболовные сети), и все семь их видов находятся под угрозой исчезновения. Повреждённый плавник ограничивает возможности плавания, снижает выживаемость и мешает самкам выходить на берег для откладывания яиц. Успешный протез, прикрепляемый к плечевой кости (плечу) черепахи с помощью стержневого имплантата, может сыграть важную роль в защите этих исчезающих ключевых видов.
Проект включал разработку четырёхмерной кинематики плавника черепахи и оптимизацию его геометрии для биомимикрии движений настоящего плавника. Разработкой занимался аспирант Ник ван дер Гест под руководством доктора Лоренцо Гарсии. Они создали математические модели трёх основных кинематических режимов плавания черепахи. Используя модели общего плавания, сильного гребка и энергичного плавания, Ник создал серию прототипов для проверки моделей и определения оптимальной конструкции.
«Мне нужно было определить, будет ли работать простая геометрия, чтобы упростить процесс производства. Мои модели показали, что оригинальный дизайн природы работает лучше — примерно в два-три раза эффективнее других протестированных нами форм», — говорит Ник.
Конструкция эволюционировала от прямоугольной формы к аэродинамическому профилю, а затем к оптимизированному дизайну. Финальный протез состоит из литого полиуретанового плавника, отлитого поверх 3D-печатной скелетной системы из титанового сплава. Эта система имплантируется в плечевую кость черепахи с помощью стержневого имплантата, аналогичного тазобедренному у человека. Каждый дизайн тестировался на специальном стенде «Turtle fin Dyno», который Ник разработал при поддержке компаний MAG Assembly LTD и PSP Limited.
Для валидации дизайна также был создан робот-черепаха («roboturtle»), напечатанный на 3D-принтере по CAD-моделям Ника на основе геометрии реальных черепах. Его плавательные режимы тестировались против теоретических моделей в олимпийском бассейне AUT Millenium с помощью датчиков движения и при участии High-Performance Sport New Zealand и GoldMine.
Дизайн одобрен для клинических испытаний. Четыре стержневых имплантата отправлены на Канарские острова (Испания) для вживления живым черепахам. Поскольку протез должен точно соответствовать размеру черепахи, первые испытания проходят на одной особи по имени Виво в центре CRFS (Центр восстановления дикой фауны, Тенерифе). К проекту также проявили интерес Byron Bay Wildlife Hospital (Австралия) и Новозеландский центр медицины охраны природы (NZCCM) в зоопарке Окленда.
«В идеале, получив раненую черепаху, вы измеряете её и изготавливаете подходящий имплантат. Совпадение должно быть идеальным», — отмечает Ник.
Идеальным следующим шагом после испытаний исследователи видят возможность для центров спасения дикой природы и ветеринаров по всему миру печатать новые протезы под конкретных черепах. Распространение 3D-принтеров сделает эту технологию более доступной. В настоящее время команда готовит публикации в научных журналах и планирует открыть исходные коды дизайнов, чтобы сделать информацию и процессы полностью доступными. Ник продолжит дорабатывать конструкцию по мере проведения испытаний.