Oscillation of the velvet worm slime jet by passive hydrodynamic instability

Abstract

The rapid squirt of a proteinaceous slime jet endows velvet worms (Onychophora) with a unique mechanism for defence from predators and for capturing prey by entangling them in a disordered web that immobilizes their target. However, to date, neither qualitative nor quantitative descriptions have been provided for this unique adaptation. Here we investigate the fast oscillatory motion of the oral papillae and the exiting liquid jet that oscillates with frequencies f~30–60 Hz. Using anatomical images, high-speed videography, theoretical analysis and a physical simulacrum, we show that this fast oscillatory motion is the result of an elastohydrodynamic instability driven by the interplay between the elasticity of oral papillae and the fast unsteady flow during squirting. Our results demonstrate how passive strategies can be cleverly harnessed by organisms, while suggesting future oscillating microfluidic devices, as well as novel ways for micro and nanofibre production using bioinspired strategies.

El rápido chorro de un chorro de limo proteico dota a los gusanos de terciopelo (Onychophora) con un mecanismo único para defenderse de los depredadores y capturar presas enredándolas en una red desordenada que inmoviliza a su objetivo. Sin embargo, hasta la fecha, no se han proporcionado descripciones cualitativas ni cuantitativas para esta adaptación única. Aquí investigamos el movimiento oscilatorio rápido de las papilas orales y el chorro de líquido que sale que oscila con frecuencias f ~ 30-60 Hz. Utilizando imágenes anatómicas, videografía de alta velocidad, análisis teórico y un simulacro físico, mostramos que este rápido movimiento oscilatorio es el resultado de una inestabilidad elastohidrodinámica impulsada por la interacción entre la elasticidad de las papilas orales y el rápido flujo inestable durante el chorro de agua. Nuestros resultados demuestran cómo los organismos pueden aprovechar hábilmente las estrategias pasivas, al tiempo que sugieren futuros dispositivos de microfluidos oscilantes, así como nuevas formas de producción de micro y nanofibras utilizando estrategias bioinspiradas.