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Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12097(2023) 이 기사 인용

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펑크는 먹이 포획, 방어 및 번식과 같은 생물학적 기능을 제공하는 문 전체의 광범위한 유기체에서 생존을 위한 중요한 메커니즘입니다. 펑크 도구의 모양이 기능 성능에 어떤 영향을 미치는지 이해하는 것은 펑크 기반 시스템의 다양성과 진화의 기본 메커니즘을 밝히는 데 중요합니다. 그러나 그러한 형태-기능 관계는 생명체의 역동적인 특성으로 인해 종종 복잡해집니다. 특히 천자 시스템은 생물학적 조직에 침투하기 위해 광범위한 속도로 작동합니다. 펑크 생체 역학에 대한 현재 연구에는 이 동적 범위에 걸쳐 도구와 재료 간의 복잡하고 속도 매개적인 상호 작용에 대한 체계적인 특성화가 부족합니다. 이러한 지식 격차를 메우기 위해 우리는 광범위한 생체 환경에 걸쳐 천공 성능(천공 깊이로 특징지어짐)과 도구 선명도(교두 각도로 특징지어짐) 사이의 관계를 조사하기 위해 동적 천공에 대해 고도로 제어된 실험 프레임워크를 확립했습니다. 관련 천공 속도(준정적에서 \(\sim\) 50m/s까지). 우리의 결과는 도구 선명도의 변화에 ​​대한 천공 성능의 민감도가 천공 속도가 높을수록 감소한다는 것을 보여줍니다. 이러한 경향은 재료가 동적 하중에 반응하는 방식에서 발생하는 속도 기반 점탄성 및 관성 효과로 인해 발생하는 것 같습니다. 속도에 따른 형태-기능 관계는 중요한 생물학적 의미를 갖습니다. 수동/저속 천공 유기체는 기능을 성공적으로 관통하고 유지하기 위해 날카로운 천공 도구에 크게 의존할 가능성이 높지만 고속 천공 시스템은 천공 도구 모양에 더 큰 가변성을 허용할 수 있습니다. 상대적으로 기하학적으로 민감하지 않은 천공 성능으로 인해 진화 과정에서 다른 기계적 요인에 대한 더 높은 적응성을 허용합니다.

기능적 성능에 대한 형태학의 영향을 식별하는 것은 생체 역학 시스템의 진화를 이해하는 데 필수적입니다. 그러나 형태와 기능 사이의 관계는 시스템의 고유한 특성과 성능에 큰 영향을 미칠 수 있는 외부 요인으로 인해 종종 복잡해집니다1. 여러 부분으로 구성된 생체 역학 시스템의 본질적인 복잡성으로 인해 형태와 기능 사이의 비선형 관계가 발생하는 경우가 많지만2,3 온도와 같은 외부 요인은 생리학적 시스템의 성능을 크게 변경할 수 있습니다. 광범위한 생물학 전반에 걸쳐 형태-기능 관계에 강력한 영향을 미칠 수 있는 한 가지 요소는 시스템의 역학입니다. 광범위한 결과를 가져오는 예는 생물학적 재료가 로드되는 속도(변형률)가 해당 하중에 대한 반응에 영향을 미칠 수 있으며, 재료는 종종 더 높은 변형률에서 더 단단해지거나 더 단단해지는 것입니다1,11,12,13. 생체 재료의 이러한 변형 속도 의존성은 손상 저항에 큰 영향을 미칠 수 있으며, 이는 결국 시스템 성능에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 여기에서는 변형률이 특정 유형의 손상, 즉 생물학적 천공에 대한 형태-기능 관계를 어떻게 잠재적으로 변경하는지 살펴봅니다.

생물학적 천자 시스템은 표면적으로 형태와 기능적 성능 사이의 직접적인 관계를 보여주기 위해 나타납니다14. 도구 선명도는 다양한 유기체15,16,17,18에서 천공 성능을 크게 변경하는 것으로 나타났습니다. 그러나 대부분의 경우 이러한 연구에서는 준정적/저속(\(< 1{\mathrm{m/s}}\))에서만 선명도의 효과를 테스트한 반면 생물학적 펑크 현상은 60°C 이상에서 발생할 수 있습니다. m/s 이상1,19,20,21(그림 1). 동적 펑크 이벤트(> 1m/s)에 대한 작업은 특히 재료가 부드럽고 변형 가능한 경우 대상 재료에서 고속 변형 강화가 발생하는 것으로 나타났습니다22,23,24. 높은 로딩 속도에서 재료 반응의 변화를 고려할 때, 더 높은 천공 속도에서 공구 모양과 천공 성능 사이의 관계가 변합니까?