En ny studie förklarar för första gången principerna bakom utformningen av stick, nålar, och spikar i djur och växter. Principerna kan användas direkt vid utveckling av nya verktyg och medicinsk utrustning.

Kaare Hartvig Jensen och hans kollegor vid DTU Physics hade upprepade upplevelser där de små glaspipetterna de använder för att extrahera vätska från växtceller bröt vid kontakt med cellväggen. Detta irriterade forskarna och väckte deras intresse för liknande spetsiga föremål i naturen som inte går sönder när de används. Det inkluderar törnen på växter som kaktusar och nässlor eller stick och ryggar av många insekter, alger, igelkottar, och andra djur.

Tanken att söka inspiration i naturen är inte ny för Kaare Hartvig Jensen, som tillhör en växande grupp av biomimetikforskare. De fokuserar på att utforska naturens design för att hitta inspiration för tekniska innovationer relaterade till, till exempel, verktyg och medicinsk utrustning.

Baserat på ett brett spektrum av experiment

För att få mer kunskap om ämnet, Jensen och hans kollegor genomförde modellförsök och samlade in data från mer än 200 arter, undersöka utformningen av olika spetsiga föremål hos djur och växter. Deras studieområde var brett och omfattade spetsiga delar av växter eller djur som används för mycket olika ändamål, till exempel för att hålla fast vid en yta, intag av näring, eller försvar. Analysen omfattade dessutom nålar eller stickningar på djur och växter som är gjorda av mycket olika material och storlekar, allt från de minsta virusen och algspikarna, mäter bara 50 nanometer, till världens längsta spetsiga del av ett djur, 2,5 meter narwhal tusk.

Forskarna inkluderade också designen av konstgjorda spetsiga föremål som spik, sprutnålar, och vapen (gamla spjut och lansar) upp till sex meter långa.

Designen säkerställer styrka och elasticitet

Den stora databasen gjorde det möjligt för forskarna att identifiera hur naturens spetsiga verktyg är utformade för att vara både tillräckligt starka för att tränga in i människors eller djurhud, till exempel, och tillräckligt hårt för att säkerställa att spetsen inte går sönder när den kommer i kontakt med huden.

"Våra resultat visade att det finns ett tydligt samband mellan längden på en nål eller sting och dess diameter, både nära spetsen och där den fäster vid växten eller djuret. På det här sättet, både den nödvändiga styrkan och elasticiteten hos spetsen kan säkerställas, vare sig det är på en nässla eller en mygga, säger Jensen.

"På samma gång, det är klart att naturens spetsiga verktyg ligger i utkanten av vad som är fysiskt möjligt. Och det är också klart att mönstren är väldigt lika, oavsett om vi tittar på nanoskala spikar av ett virus eller en svärdfisk 1,5 meter räkning, säger Jensen.

Resultaten från den nya studien har nyligen publicerats i den respekterade vetenskapliga tidskriften Naturfysik .

Studien omfattade också konstgjorda spetsiga föremål som redan har efterliknat naturliga former i stor utsträckning.

"Denna nya kunskap om hur man beräknar den optimala designen av ett spetsigt objekt kan i framtiden användas för att designa, t.ex., sprutnålar för att optimera fördelningen av medicinering. Eller för att designa naglar, möjliggör en minskning av materialförbrukningen utan att förlora den nödvändiga stabiliteten, Säger Jensen.

Forskarna själva har också använt resultaten för att designa sina glaspipetter så att de inte längre upplever brott när de extraherar vätska från växtceller.