Elasticitet nøgle til planter og dyrs evne til at stikke

En ny undersøgelse forklarer for allerførste gang principperne bag design af stik, nåle, og pigge i dyr og planter. Principperne kan bruges direkte i udviklingen af ​​nye værktøjer og medicinsk udstyr.

Kaare Hartvig Jensen og hans kolleger på DTU Fysik havde gentagne oplevelser, hvor de små glaspipetter, de bruger til at udtrække væske fra planteceller, brød ved kontakt med cellevæggen. Dette irriterede forskerne og vakte deres interesse for lignende spidse genstande i naturen, som ikke knækker, når de bruges. Det inkluderer torner på planter som kaktus og brændenælder eller mange insekters stik og rygsøjle, alger, pindsvin, og andre dyr.

Tanken om at søge inspiration i naturen er ikke ny for Kaare Hartvig Jensen, der tilhører en voksende gruppe af biomimetikforskere. De fokuserer på at udforske naturens design for at finde inspiration til tekniske innovationer relateret til, for eksempel, værktøj og medicinsk udstyr.

Baseret på en lang række eksperimenter

For at få mere viden om emnet, Jensen og hans kolleger udførte modelforsøg og indsamlede data fra mere end 200 arter, undersøge udformningen af ​​forskellige spidse genstande hos dyr og planter. Deres fagområde var bredt og omfattede spidse dele af planter eller dyr, der blev brugt til meget forskellige formål, for eksempel til at klæbe til en overflade, indtagelse af næring, eller forsvar. Analysen omfattede desuden nåle eller stik på dyr og planter, som er lavet af vidt forskellige materialer og størrelser, lige fra de mindste vira og algespidser, måler kun 50 nanometer, til verdens længste spidse del af et dyr, den 2,5 meter lange narhvalstødtand.

Forskerne inkluderede også design af menneskeskabte spidse genstande såsom negle, sprøjtenåle, og våben (gamle spyd og lanser) op til seks meter lange.

Design sikrer styrke og elasticitet

Den store database gjorde det muligt for forskerne at identificere, hvordan naturens spidse værktøjer er designet til både at være stærke nok til at trænge ind i menneske- eller dyrehud, for eksempel, og hårdt nok til at sikre, at spidsen ikke går i stykker, når den kommer i kontakt med huden.

"Vores resultater viste, at der er en klar sammenhæng mellem længden af ​​en nål eller stik og dens diameter, både tæt på spidsen og hvor den hæfter på planten eller dyret. På denne måde både den nødvendige styrke og elasticitet af spidsen kan sikres, om det er på en brændenælde eller en myg", siger Jensen.

"På samme tid, det er tydeligt, at naturens spidse redskaber er på kanten af, hvad der er fysisk muligt. Og det er også klart, at designs er meget ens, uanset om vi ser på nanoskalaen af ​​en virus eller en sværdfisks 1,5 meters næb, siger Jensen.

Resultaterne fra det nye studie er for nylig blevet offentliggjort i det respekterede videnskabelige tidsskrift Naturfysik .

Undersøgelsen omfattede også menneskeskabte spidse genstande, der allerede i vid udstrækning har efterlignet naturlige former.

"Denne nye viden om, hvordan man beregner det optimale design af et spidst objekt, kan i fremtiden bruges til at designe, f.eks., sprøjtenåle for at optimere fordelingen af ​​medicin. Eller i at designe negle, muliggør en reduktion af materialeforbruget uden at miste den nødvendige stabilitet, siger Jensen.

Forskerne har også selv brugt resultaterne til at redesigne deres glaspipetter, så de ikke længere oplever brud, når de udvinder væske fra planteceller.