Инженеры раскрыли механизм «принятия решений» о распространении семян одуванчика
Понимание того, что заставляет одуванчики распространяться, может помочь понять, как растения реагируют на изменение климата, и даже вдохновить на создание новых «мягких» роботов.
Семена одуванчика — одни из лучших летунов в природе, способные преодолевать с ветром до 100 километров. Частично это достигается за счёт способности регулировать полёт в зависимости от погоды.
Каждое семя прикреплено тонкой трубкой примерно к 100 щетинкам, образующим парашютоподобную структуру. Когда семена отделяются от цветка, эти пучки волосков ловят ветер. Этот волосяной парашют закрывается при высокой влажности воздуха (что часто означает слабый ветер). В более сухих и ветреных условиях одуванчики раскрывают парашюты шире, чтобы лучше поймать ветер.
Международная команда исследователей, включая учёных из Имперского колледжа Лондона, раскрыла биомеханические «решения», стоящие за распространением семян. Их работа, опубликованная в Nature Communications, показала, что парашюты, несущие семена, открываются и закрываются с помощью структур, подобных актюаторам — устройствам, преобразующим сигналы в движение, — без использования энергии.
Центр парашюта ощущает влажность окружающей среды, поглощая молекулы воды из воздуха. Реагируя на эти сигналы, он «решает» либо открыть парашют и улететь, либо закрыть его и остаться на месте.
Также было обнаружено, что актюатор имеет уникальную радиальную трубчатую конструкцию, к которой крепятся волоски парашюта, что обеспечивает их одновременное движение. Актюатор меняет свою форму, чтобы открыть или закрыть парашюты.
Исследователи из Имперского колледжа Лондона и университетов Эдинбурга, Оксфорда, Лиона и Политехнической школы Парижа изучили это, используя комбинацию экспертизы в биологии растений и механической инженерии.
- Они поместили одуванчики в специальную камеру с контролируемой влажностью.
- С помощью нескольких методов визуализации, включая растровый электронный микроскоп, они измерили влияние влажности на основание парашюта.
- Было обнаружено, что открытие парашюта модулируется уровнем влажности: более высокая влажность вызывала набухание актюатора и механическое движение волосков вверх, что закрывало парашюты.
- Некоторые области актюатора заметно набухали, в то время как другие (например, проводящие пучки) почти не менялись. Изменение формы было вызвано поглощением и выделением капель воды, создающих складку в области крепления волосков парашюта.
- Затем они построили структурную компьютерную модель актюатора, учитывающую эти различия и силы, связанные с изменением уровня гидратации. Модель количественно согласовалась с большинством наблюдений, что указало на ключевую роль различий в способности поглощать воду для работы актюатора и, следовательно, для открытия и закрытия парашюта.
Значение работы:
- Для робототехники: Растительные структуры могут служить важным источником вдохновения для мягкой робототехники. Понимание того, как парашюты одуванчика одновременно двигают множеством отростков, может помочь инженерам создавать роботов, которые двигают несколькими «пальцами» или «руками» с помощью простых, но функциональных конструкций. Механизм изменения формы актюатора также учит принципам формообразования и движения в мягких роботах и биологических тканях.
- Для экологии: Распространение одуванчиков сильно влияет на городские и сельские экосистемы. Знание того, как их полёт реагирует на окружающую среду, помогает прогнозировать последствия изменения климата.