5.1.2022

Doktorsavhandling i pappersförädling

M.Sc. Adhityo Wicaksonos doktorsavhandling i pappersförädling framläggs till offentlig granskning vid fakulteten för naturvetenskaper och teknik vid Åbo Akademi.

Avhandlingen heter The locomotive behaviours of the tree-climbing fish, Periophthalmus variabilis: a cross-disciplinary approach to bioinspired design.

Disputationen äger rum torsdagen den 13 januari 2022 kl. 15. Opponent är professor Sandy Kawano, George Washington University, USA och kustos är docent Parvez Alam, University of Edinburgh, Storbritannien. Disputationen kan följas via videolänk.

Sammanfattning:
Slamkrypare är en grupp amfibiska fiskar som kan röra sig på fast mark. Vissa av dem kan också klättra i träd. Biomekaniken som ligger bakom slamkryparnas unika rörelseförmåga studerades i hopp om att hitta möjligheter för tekniska applikationer. Huvudsyftet med studien var att karakterisera några av slamkryparens kroppsfunktioner som är relaterade till dess unika beteende. Karakteriseringen gjordes genom utveckling av simuleringsbaserade modeller för att kunna återskapa funktionerna för tekniska ändamål. Slamkryparna studerades genom videoinspelning och fotografering på provtagningsområdet (in situ). Samtidigt samlades ytterligare uppgifter in utanför provområdet (ex situ) för registrering av bäckenfenornas egenskaper för finit elementmodellering (FEM), där fenornas flexibilitet undersöktes. Dissekering av fiskar utfördes också där ytterligare data insamlades för en annan FEM-modellering som fokuserade på skelettsystemet samt på bröst- och bäckenfenornas muskulatur.

De inspelade videofilmerna användes för mekanisk och kinematisk analys. Dessutom togs prover av slamkryparnas slem, vilka analyserades med hjälp av Fourier transform infraröd spektroskopi (FTIR). Efter FTIR-spektroskopin modellerades slemmets kemiska sammansättning med hjälp av molekylär dynamik-simuleringar där slemmets biomolekylära interaktioner med de substrat som fisken allmänt förekommer på studerades. Dessa simuleringar gjordes för att bekräfta interaktionerna mellan slem och substrat, eftersom en hypotes var att slem ger ytterligare stöd när slamkryparen håller sig fast vid ett vertikalt substrat, t.ex. när den klättrar i träd. Molekylär dynamik–simuleringarna visar att den kemiska sammansättningen hos slemmet (hyaluronsyra eller HA) attraherar föreningar hos substratet (kalciumkarbonat av kalksten och kiseldioxid, samt komponenterna cellulosa, hemicellulosa och lignin hos växtcellernas väggar), vilket indikerar att slemmet bidrar till fiskens adhesionsförmåga.

Som komplement till slemmet tillåter bäckenfenornas höga strukturella flexibilitet fisken att greppa substratets yta. Dessutom är slamkryparnas fenor och kropp täckta av fjäll, vilka täcks av skinn, som i sin tur är täckt av slem. Detta till skillnad från andra fiskar, vars skinn täcks av fjäll. Slamkryparen kan också sträcka sina bäckenfenor nedåt, varvid de fungerar som en kolv som passivt använder bröstfenornas inåtriktade tryck mot kroppen, vilket ger en effektiv och energibesparande rörelsemetod. Slutligen kan slamkryparen hoppa över en vattenyta, och kan spara sin användning av kinetisk energi över hoppsekvensen och utföra en lång, effektiv serie hopp som en flyktmekanism. Resultaten från denna studie kan hjälpa modellering av slamkryparens biomekanik i olika tillämpningar.

Vissa hypotetiska designkoncept ingår i denna studie. Dessa inkluderar en kontrollerad adhesionsyta som fungerar via samma Stefan-adhesion som används av fisken när den klättrar, dvs. adhesionen kan aktiveras av slemproduktion i gränssnittsområdet och avaktiveras genom att slemkoncentrationen minskas med vatten. Detta eftersom vidhäftningen styrs av vätskans viskositet. En slamkryparinspirerad robot/drönardesign som kan gå på land och fästa sig vid lutande ytor föreslås. Ett annat koncept är att skapa elastiska material inspirerade av slamkryparens hudtäckta fjäll, men detta kräver ytterligare, framtida undersökningar av slamkryparen.

Avhandlingen kan läsas i Åbo Akademis publikationsarkiv Doria.

Adhityo Wicaksono är född 1989 i Jakarta, Indonesien. Han kan vid behov nås per telefon +62 85 722 314 325 eller e-post adhityo.wicaksono@gmail.com.

Klicka här för pressbild på disputanden.

Anvisningar för att följa med disputationen på distans

För att följa med disputationen behövs programvaran Zoom eller webbläsaren Google Chrome. Du behöver inte skapa ett Zoom-konto för att kunna följa med disputationen. Om du installerar appen deltar du genom att klicka på möteslänken varefter du bör tillåta att länken öppnas i Zoom-appen.

I slutet av tillställningen är det möjligt att ställa frågor. Har du en fråga kan du visa det genom funktionen ”Raise Hand”. Förbered dig gärna genom att ha en mikrofon installerad på din dator eller genom att ha frågan färdigt formulerad i ett textdokument på datorn därifrån du sedan kopierar in den i Zooms chattfunktion då du får tillstånd att ställa din fråga.