Een nieuwe studie verklaart voor het eerst de principes achter het ontwerp van steken, naalden, en pieken in dieren en planten. De principes kunnen direct worden gebruikt bij de ontwikkeling van nieuwe gereedschappen en medische apparatuur.

Kaare Hartvig Jensen en zijn collega's van DTU Physics hadden herhaalde ervaringen waarbij de kleine glazen pipetten die ze gebruiken om vloeistof uit plantencellen te extraheren braken bij contact met de celwand. Dit irriteerde de onderzoekers en wekte hun interesse in soortgelijke puntige objecten in de natuur die niet breken bij gebruik. Dat omvat doornen op planten zoals cactussen en brandnetels of de steken en stekels van veel insecten, algen, egels, en andere dieren.

Het idee om inspiratie op te doen in de natuur is niet nieuw voor Kaare Hartvig Jensen, die behoort tot een groeiende groep biomimetische onderzoekers. Ze richten zich op het verkennen van het ontwerp van de natuur om inspiratie te vinden voor technische innovaties met betrekking tot, bijvoorbeeld, gereedschap en medische apparatuur.

Gebaseerd op een breed scala aan experimenten

Om meer kennis over het onderwerp op te doen, Jensen en zijn collega's voerden modelexperimenten uit en verzamelden gegevens van meer dan 200 soorten, het onderzoeken van het ontwerp van verschillende puntige voorwerpen in dieren en planten. Hun studiegebied was breed en omvatte puntige delen van planten of dieren die voor heel verschillende doeleinden werden gebruikt, bijvoorbeeld om aan een oppervlak te plakken, voeding innemen, of verdediging. De analyse omvatte bovendien naalden of steken op dieren en planten die zijn gemaakt van enorm verschillende materialen en maten, variërend van de kleinste virussen en algenpieken, meet slechts 50 nanometer, naar 's werelds langste puntige deel van een dier, de 2,5 meter lange slagtand van de narwal.

De onderzoekers omvatten ook het ontwerp van door de mens gemaakte puntige voorwerpen zoals spijkers, spuit naalden, en wapens (oude speren en lansen) tot zes meter lang.

Ontwerp zorgt voor sterkte en elasticiteit

Dankzij de grote database konden de onderzoekers identificeren hoe de puntige gereedschappen van de natuur zijn ontworpen om zowel sterk genoeg te zijn om de menselijke of dierlijke huid binnen te dringen, bijvoorbeeld, en hard genoeg om ervoor te zorgen dat de punt niet breekt wanneer deze in contact komt met de huid.

"Onze resultaten toonden aan dat er een duidelijke correlatie is tussen de lengte van een naald of steek en de diameter ervan, zowel dicht bij de punt als waar het zich hecht aan de plant of het dier. Op deze manier, zowel de nodige sterkte als elasticiteit van de punt kan worden gegarandeerd, of het nu op een brandnetel of een mug is", zegt Jensen.

"Tegelijkertijd, het is duidelijk dat de puntige werktuigen van de natuur aan de rand staan ​​van wat fysiek mogelijk is. En het is ook duidelijk dat de ontwerpen erg op elkaar lijken, of we nu kijken naar de pieken op nanoschaal van een virus of de 1,5 meter lange snavel van een zwaardvis, ' zegt Jensen.

De bevindingen van de nieuwe studie zijn onlangs gepubliceerd in het gerespecteerde wetenschappelijke tijdschrift Natuurfysica .

De studie omvatte ook door de mens gemaakte puntige objecten die natuurlijke vormen al grotendeels hebben nagebootst.

"Deze nieuwe kennis over het berekenen van het optimale ontwerp van een puntig object kan in de toekomst worden gebruikt om te ontwerpen, bijv. injectienaalden om de toewijzing van medicatie te optimaliseren. Of bij het ontwerpen van nagels, een vermindering van het materiaalverbruik mogelijk maken zonder de nodige stabiliteit te verliezen, ' zegt Jensen.

De onderzoekers hebben de resultaten zelf ook gebruikt om hun glazen pipetten opnieuw te ontwerpen, zodat ze niet langer breken bij het extraheren van vloeistof uit plantencellen.