Глядя на розу и восхищаясь ее красотой, вы также видите и шипы – пример гениальности природы, у которой человечество может заимствовать многие идеи. По словам ученых, шип розы представляет собой уникальный и высокопрочный инструмент растения в форме серпа.
Многие растения обладают мелкими, изогнутыми и острыми инструментами закрепления в виде шипов и колючек, которые обеспечивают им основные биомеханические функции, включая физическую защиту от травоядных животных и контакт для поддержки роста.
Среди них шипы розы особенно узнаваемы по их твердым и острым кончикам, которые легко прокалывают и разрывают более мягкие целевые объекты, а также по их общей высокой жесткости и устойчивости к повреждениям. Шип розы сохраняет свою форму в основном недеформированной и неповрежденной даже при значительных механических нагрузках.
В то время как ботанические аспекты шипов розы, например, процесс формирования, морфологические характеристики и анатомический состав, широко изучались на протяжении многих лет, их биомеханические характеристики несущей способности все еще в значительной степени не изучены.
Выявление принципов структурной механики шипов розы является важнейшей вехой на пути к пониманию того, как растения развиваются и адаптируют свои инструменты под разные задачи.
На практике эти функциональные стратегии проектирования, уникальные для растительных биомеханических инструментов, могут способствовать созданию футуристических микроинженерных платформ крепления для микроробототехнического передвижения, биомедицинской микроинъекции и микромеханических систем.
Шипы розы - это небольшие, растительные инструменты крепления многофункциональных биомеханических ролей, сочетающие физическую защиту от травоядных и поддержку роста на окружающих объектах.
Используя многомасштабные структурные наблюдения, наномеханические характеристики и конечно-элементное моделирование, исследователи из Университет имени Бен-Гуриона, Израиль, Лиат Левави и Бенни Бар-Он раскрывают тайны розового шипа.
«В своей работе мы раскрываем, что шип «собачьей розы», которую еще называют «шиповник собачий» (Rosa canina Linnaeus) включает структурно-механические модификации в различных масштабах длины, что приводит к макроскопическим эффектам блокировки напряжения, которые обеспечивают шипу экстремальные возможности устойчивости к повреждениям и защищают его функциональную форму от катастрофических отказов, - рассказывают авторы статьи, опубликованной в журнале PNAS Nexus. - Колючки розы объединяют различные структурные характеристики в различных масштабах длины. На макроскопическом уровне их геометрические формы демонстрируют выраженное расширение от их острого кончика к лежащему под ними стеблю с различными соотношениями сторон вдоль оси стебля и по окружности стебля, что глобально связано с универсальным геометрическим законом различных нерастительных биомеханических инструментов с острым краем разных размеров и форм (например, жала, клыки и зубы). Геометрическая форма шипа R. canina напоминает серп с конической структурой, которая расширяется от кончика к стеблю».
На материальном уровне колючки являются фундаментально биологическими композитами, состоящими из высоколигнифицированных клеточных тканей (внешний эпидермис и внутренний кортикальный слой) с пространственно варьирующимися микроструктурными характеристиками (то есть размерами, формами и толщиной клеточной стенки).
«Составные характеристики шипов специфически модифицированы вблизи их кончика и близко к их внешней поверхности - аналогично различным якорным инструментам в нерастительных системах, таким как клешни членистоногих, клювы кальмаров и челюсти червей, - что подразумевает их механическую адаптацию с точки зрения функциональной нагрузки. Действительно, обширные механические эксперименты с шипами розы проливают свет на их значительную устойчивость к повреждениям, где отказы от перегрузки никогда не происходили внутри основной части шипа, а только в месте его соединения со стеблем. Насколько нам известно, истоки этих характеристик устойчивости к повреждениям еще не обнаружены, и, в более широком смысле, фундаментальные характеристики нагрузки шипов и их связь с их разнообразными биомеханическими функциями еще не изучены», - говорят авторы работы.
«Несмотря на свои миниатюрные размеры и незначительные доли массы, шипы розы обеспечивают кустарнику значительные функциональные возможности - формируя механическую поддержку роста для его гибких стеблей посредством подвешивания на соседних растениях или закрепления на грубых окружающих предметах (например, камнях) и отпугивая травоядных животных посредством прокалывания, царапания и разрывания тканей их ротового аппарата. Многочисленные функции шипа розы тесно связаны с общими несущими характеристиками его иерархической структуры — происходящими из наномеханических характеристик его клеточных стенок, масштабированными посредством модификаций, вызванных плотностью, его микротрубчатых массивов в различных областях шипа и завершающимися градуированными геометрическими характеристиками его макроскопической формы. Более пристальное изучение этого чуда природы позволит человечеству сделать прорыв в природоподобных технологиях. Структурные особенности шипа розы могут быть использованы при проектировании сверхмалых фиксирующих инструментов для различных областей применения, включая микроробототехническое перемещение, биомедицинские микроинъекции и микромеханические системы», заключают авторы исследования.
Источник: PNAS Nexus.
На фото вы видите, как механические напряжения распространяются вдоль микротрубчатых массивов внутри шипа розы. Автор фото: Лиат Левави.