Растения, которые двигаются, вдохновляют на создание новых адаптивных структур

Растение Мимоза, складывающее листья при прикосновении, вдохновило на разработку нового класса адаптивных структур, способных скручиваться, изгибаться, становиться жёсткими и даже самовосстанавливаться. Исследования возглавляют учёные из Мичиганского университета.

Профессор машиностроения Кон-Велл Ванг представит последние работы команды 19 февраля на ежегодном собрании Американской ассоциации содействия развитию науки (AAAS) в Вашингтоне. Ванг является профессором кафедры машиностроения и её заведующим.

«Это сильно отличается от других традиционных подходов к адаптивным материалам. Обычно для создания адаптивных структур используют твёрдотельные материалы. Это действительно уникальная концепция, вдохновлённая биологией», — сказал Ванг.

Исследователи из Мичиганского университета и Университета Пенсильвании изучают, как растения вроде Мимозы меняют форму, и работают над воспроизведением этих механизмов в искусственных клетках. Сейчас их искусственные клетки имеют размер с ладонь и больше. Но они стремятся уменьшить их, создавая из микроструктур и нановолокон. Также они исследуют, как воспроизвести механизмы самовосстановления растений.

«Мы хотим объединить всё это, чтобы создать гиперклеточные структуры с циркуляторными сетями», — отметил Ванг.

Мимоза относится к растениям, демонстрирующим специализированные настические движения — крупные перемещения, видимые невооружённым глазом в реальном времени, пояснил Эрик Нильсен, доцент кафедры молекулярной, клеточной биологии и биологии развития.

Это явление возможно благодаря осмосу — движению воды внутрь и из клеток растений. Такие триггеры, как прикосновение, заставляют воду покидать определённые клетки, вызывая их сжатие. В другие клетки вода поступает, расширяя их. Эти микроскопические изменения позволяют растению двигаться и менять форму в макромасштабе.

«Мы знаем, что растения могут деформироваться с большим усилием благодаря этой накачивающей активности. Это и несколько других характеристик растительных клеток и клеточных стенок вдохновили нас на идеи, которые могут одновременно реализовать многие функции, желаемые для адаптивных структур», — сказал Ванг.

Нильсен считает, что настические движения — хорошая отправная точка для попыток воспроизвести движения растений, поскольку они не требуют нового роста или реорганизации клеток.

«Эти быстрые настические движения основаны на уже существующих клетках и тканях. Растению легко строить новые клетки и ткани во время роста, но не так просто сконструировать объект или машину, чтобы полностью изменить её организацию. Мы надеемся, что изучение этих движений подскажет нам, как создавать эффективные адаптивные материалы, проявляющие такую же гибкость, какую мы видим в биологических системах».

Когда эта технология созреет, по словам Вана, она может позволить роботам менять форму, как хобот слона или тело змеи, чтобы маневрировать под мостом или в туннеле, а затем становиться жёсткими, чтобы что-то схватить. Это также может привести к созданию морфирующих крыльев, которые позволят самолётам вести себя больше как птицы, меняя форму и жёсткость крыла в ответ на окружающую среду или поставленную задачу.