Termostatisk bevægelse:Hvad en rhododendron kan lære os om robotteknologi

På en kølig vinterdag, Moneesh Upmanyu gik en tur med sin søn nær deres hjem uden for Boston. De passerede en rhododendronbusk, dens tykke grønne blade krøllet sammen til tynde rør, der dinglende slapt fra deres stængler. Den så død ud, eller døende.

Men når Upmanyu, en professor i maskin- og industriteknik ved Northeastern, gik forbi stedet et par dage senere, på en varmere dag, planten så ud til at være genoplivet. Bladene blev spredt fladt ud og løftet opad mod solen. Hans søn havde et spørgsmål:Hvorfor?

"Jeg havde ikke et svar, " siger Upmanyu. Men han besluttede at finde ud af det.

Upmanyu studerer de strukturelle egenskaber af forskellige materialer, og hvordan de reagerer på stimuli, til brug i ting som mikroelektronik eller robotsystemer. I en nylig avis omtalt på forsiden af ​​denne måneds Journal of the Royal Society Interface , Upmanyu og hans kolleger undersøgte de mekaniske aspekter af, hvordan rhododendronblade krøller og hænger.

"I robotteknologi, mikroelektroniske enheder, du vil designe kontakter, der kan skabe kontakt og afbryde forbindelsen bare baseret på en eller anden stimulus, som temperatur, lys, eller endda røre, " siger Upmanyu. "Denne form for forståelse er ret vigtig for at designe smart, aktive strukturer."

I dette særlige tilfælde, det kommer ned til vandets bevægelse, siger Upmanyu. Når temperaturen falder, vand bevæger sig fra stilken ind i bladet, får stilken til at hænge. Vandet fordeles ujævnt gennem bladet, og når det fryser, det får toppen af ​​bladet til at udvide sig og undersiden til at trække sig sammen. Dette gør, at bladet begynder at krølle.

Hvis det var enden på det, selvom, bladet ville krølle ensartet nedad, resulterer i en kop på hovedet. Det, der får bladene til at rulle til en stram cigar, er deres stive rygsøjler, eller midterribben, der løber ned langs midten af ​​bladet, siger Hailong Wang, hovedforfatter på undersøgelsen og professor ved University of Science and Technology i Kina.

"Løvet kan ikke bøjes i en kuppelformet halvkugleformet struktur - det skal kun bøjes i én retning, som den stive midterrib vælger, " siger Wang, som modtog sin doktorgrad fra Northeastern i 2010. "Krumningen udvikler sig kun i én retning, men det er forstærket."

Da forskerne skar strimler af rhododendronblade, adskille dem fra midterribben, de krøllede og snoede sig løst i alle retninger. Men med curling begrænset af midterribben, disse kræfter omdirigeres i kun én retning, forårsager en meget strammere krølle.

"Det var en overraskelse for mig, siger Erik Nilsen, en økolog ved Virginia Tech, der samarbejdede om undersøgelsen. "Jeg troede, at motorkraften til at bevæge sig var vandret på bladet, fordi bladet krøller fra kanterne og ned."

Den biologiske årsag til denne curling, Nilsen siger:er at hjælpe disse planter med at overleve om vinteren.

Rhododendron bevarer deres grønne blade hele vinteren, på trods af at de vokser i hårde, alpine forhold. Når løvtræerne omkring dem mister deres blade, ekstra sollys når rhododendronerne. Men i det koldeste vejr kan de ikke bruge det - deres stofskifte lukker ned.

"Så de optager stråling, og de har ikke de biokemiske mekanismer til at sende den stråling ind i fotosyntesen, ", siger Nilsen. "De har en masse energi, der kommer ind i bladet og har ikke noget med det at gøre."

Den stråling kan beskadige bladene. Ved at krølle og hænge, rhododendronblade reducerer drastisk mængden af ​​sollys, der rammer dem, når de ikke kan bruge det.

Dette kan også hjælpe dem med at tø langsommere efter en frost, siger Upmanyu. Hvis bladene tøer op og krøller ud for hurtigt, frostnåle kan punktere og beskadige bladenes overflade.

At forstå, hvordan disse mekanismer virker i rhododendron, kan potentielt hjælpe forskere med at konstruere afgrøder, der er mere modstandsdygtige over for koldt vejr. Men Upmanyu er også interesseret i, hvordan de samme principper kan anvendes på ingeniørarbejde.

"Jeg er interesseret i, hvordan ark ændrer form, og hvordan vi kan programmere smarte strukturer, og naturen byder ofte på robuste strategier, der venter på at blive udnyttet, " siger Upmanyu. "Dette var et smukt eksempel på en reversibel formændring, hvor vandbevægelse drevet af temperatur var en stimulans.