Bambus inspirerer til optimalt design for lethed og sejhed

Den rumlige fordeling af fibre i hule bambuscylindre er optimeret til at forstærke bøjningsstivhed, et nyt fund, der kaster lys over biomimetiske tilgange i udviklingen af ​​materialer.

Let og hård, bambus er meget udbredt som en naturlig, funktionelt materiale i Japan og andre asiatiske lande. Bambus er let på grund af sin hule struktur, hvilket gør det muligt for planten at vokse hurtigere med små mængder træagtige dele og udsætte sig selv for sollys over andre træer. Men denne lethed efterlader også bambus sårbar over for stærk sidevind og kan gøre det svært for planten at bære sin egen vægt. For at overvinde denne mangel, de træagtige dele af bambus er forstærket med tynde, men robuste fibre (vaskulære bundter). Hver fiber er lige så stiv som stål.

Undersøgelse af et tværsnit af bambus afslører, at fibrene i de træagtige dele ikke er ligeligt fordelt. Fibrenes tæthed bliver gradvist tykkere fra den indre til den ydre overflade, tyder på, at de ydre dele er, mekanisk set, stærkere end de indre dele. Dette er rimeligt, fordi de ydre dele får mere kraft, når cylinderen bøjes.

For at bestemme forholdet mellem fordelingen af ​​de forstærkende fibre i en kulm og kulmens bøjningsstivhed, forskere fra Hokkaido Universitet, Præfekturuniversitetet i Kumamoto og University of Yamanashi sammenlignede dataene fra den ægte bambuss fiberfordeling med den teoretisk afledte optimale fiberfordeling.

Overraskende nok, de rigtige bambusdata viste næsten den samme fiberfordeling som den med den teoretiske, optimal fiberfordeling. Nær roden af ​​kulmen, hvor der findes et stort antal fibre, den reelle fiberfordeling matchede den teoretisk afledte kvadratiske form for gradientfordeling. Nær spidsen af ​​kulmen, hvor der er meget færre fibre end nær roden, de eksperimentelle data matchede den lineære fordeling beregnet i overensstemmelse med teorien.

Som resultat, forskerne fandt ud af, at bambus præcist justerer fordelingen af ​​fibre, så bøjningsstivheden maksimeres med den mindst mulige mængde træmateriale. Den mekaniske teori anvendt i denne forskning, derfor, kan anvendes på andre hule cylindre for at bestemme gradientfordelingen, der kan optimere bøjningsstivheden.

"Vores undersøgelse kunne hjælpe med at udvikle avancerede materialer ved at efterligne bambusmodellen for dens lethed og sejhed. Efterligning af systemer af dyr og planter, som har overlevet barske forhold, en tilgang kaldet biomimetik har vist sig vellykket til at løse mange problemer i udviklingen af ​​materialer i de senere år, " kommenterede Motohiro Sato, hovedforfatteren ved Hokkaido Universitet.