Den rumsliga fördelningen av fibrer i ihåliga bambucylindrar är optimerad för att förstärka böjstyvheten, ett nytt fynd som belyser biomimetiska tillvägagångssätt vid utveckling av material.

Lätt och tuff, bambu används ofta som en naturlig, funktionellt material i Japan och andra asiatiska länder. Bambu är lätt på grund av sin ihåliga struktur, vilket gör att växten växer snabbare med små mängder av vedartade delar och utsätter sig för solljus ovanför andra träd. Men denna lätthet gör också bambu sårbar för stark sidvind och kan göra det svårt för plantan att bära sin egen vikt. För att övervinna denna brist, de träiga delarna av bambu är förstärkta med tunna men robusta fibrer (kärlknippen). Varje fiber är lika styv som stål.

Att undersöka ett tvärsnitt av bambu visar att fibrerna i de träiga delarna inte är jämnt fördelade. Fibrernas täthet blir gradvis tjockare från den inre till den yttre ytan, föreslår att de yttre delarna är, mekaniskt sett, starkare än de inre delarna. Detta är rimligt eftersom de yttre delarna får mer kraft när cylindern böjs.

För att bestämma förhållandet mellan fördelningen av förstärkningsfibrerna i en kulm och kulmens böjstyvhet, forskare från Hokkaido University, Prefectural University of Kumamoto och University of Yamanashi jämförde data från den riktiga bambuns fiberfördelning med den teoretiskt härledda optimala fiberfördelningen.

Förvånande, de riktiga bambudata visade nästan samma fiberfördelning som den med den teoretiska, optimal fiberfördelning. Nära roten av kulmen, där ett stort antal fibrer finns, den verkliga fiberfördelningen matchade den teoretiskt härledda kvadratiska formen för gradientfördelning. Nära kulmen, där det finns mycket färre fibrer än nära roten, de experimentella data matchade den linjära fördelningen beräknad i enlighet med teorin.

Som ett resultat, forskarna fann att bambu justerar fördelningen av fibrer exakt så att böjstyvheten maximeras med den minsta möjliga mängden trämaterial. Den mekaniska teorin som används i denna forskning, därför, kan appliceras på andra ihåliga cylindrar för att bestämma gradientfördelningen som kan optimera böjstyvheten.

"Vår studie kan hjälpa till att utveckla avancerade material genom att efterlikna bambumodellen för dess lätthet och seghet. Imitera djur- och växtsystem som har överlevt svåra förhållanden, ett tillvägagångssätt som kallas biomimetik har visat sig vara framgångsrikt för att lösa många problem i utvecklingen av material de senaste åren, " kommenterade Motohiro Sato, huvudförfattaren vid Hokkaido University.