Naturen vrimler med pigge, der kan være store som narhvalens 2,5 meter lange stødtand eller små som nano-piggene, der sidder på nogle virusser.
Imellem yderpolerne finder vi pigge på brændenælder, myggens snabel, biens brod, pindsvinets pigge og så videre og så videre.
Nu viser ny dansk forskning, at uanset om piggene sidder på en virus, en myg, en narhval eller andre organismer, følger de præcis samme matematiske regler: Forholdet mellem piggens længde, tykkelse ved basen, materialets elasticitet og friktion er nemlig altid opbygget efter samme formel.
Formlen er ingeniørtegningen for designet af den optimale pig i forhold til styrke og materialeforbrug, og naturen har brugt milliarder af år på at finde frem til den.
Danske forskere har brugt et par år.
»Det overraskende nye er, at alle pigge i naturen er designet på samme måde, og faktisk følger menneskeskabte ’stikkere’ som lanser, kanyler og søm den samme formel,« fortæller manden bag det nye forskningsresultat, lektor Kaare Jensen fra DTU Fysik ved Danmarks Tekniske Universitet (DTU).
Forskningen, der er støttet af Villum Fonden, er netop publiceret i tidsskriftet Nature Physics.
Forskerkollega er vildt begejstret
»Det er et fedt stykke forskningsarbejde,« siger lektor Henrik Birkedal fra Institut for Kemi og iNANO ved Aarhus Universitet, da Videnskab.dk ringer til ham for at få en kommentar til det nye studie.
Henrik Birkedal har ikke noget med studiet at gøre, men forsker selv i, hvordan ingeniører kan skele til naturen for at optimere forskellige produkter og designs.
Han undersøger blandt andet, hvordan man ud af muslingers skæg kan lave superlim til at lime sår sammen.
Forskeren fra Aarhus synes, at studiet er specielt spændende, fordi det peger på, hvordan biologiske systemer er designet til at bruge minimale mængder materiale til at lave pigge, der ikke knækker.
»Det giver nogle retningslinjer for, hvordan man eksempelvis kan tænke sig at designe mikro- og nanorobotter, der kan komme ind i den menneskelige krop og eksempelvis være udstyret med mere solide kanyler, der afleverer medicin over tid,« siger Henrik Birkedal.
Formel kobler pigges egenskaber sammen
I forskningsarbejdet har Kaare Jensen sammen med sine kollegaer undersøgt forholdet mellem 200 forskellige pigges længde og deres diameter ved basen, altså der hvor piggen sidder fat på dyret/organismen.
De mange data har forskerne fået fra dels den videnskabelige litteratur og dels fra egne eksperimenter.
Forskerne har også inkluderet data for det materiale, som piggene er designet af.
Nogle pigge er lavet af tænder. Det gælder eksempelvis narhvalens tand. Andre er lavet af sammenrullede blade, proteiner, knogler eller alle mulige andre materialer med forskellige grader af stivhed og materialeegenskaber.
Ud af alle disse data har forskerne konstrueret en formel for det optimale design af en pig, hvis man spørger evolutionen:
D=(F/E)1/3L
- D er piggens diameter ved basen
- F er materialets friktion, altså friktion i form af trykket i det materiale, som stikkeren skal ned igennem. Det kan i tilfældet med myggens snabel være hud.
- E er materialets elasticitet.
- L er piggens længde.
Formel gør pigge så billige som overhovedet muligt
Skal naturen, eller for den sags skyld vi mennesker, designe den perfekte stikker, skal det altså ske efter denne formel.
Så vil stikkeren have de bedste forudsætninger for ikke at knække eller bøje, når den skal stikkes ned gennem et materiale, hvilket for eksempel kan være en kanyle gennem huden eller et søm gennem et bræt.
Stikkeren vil også være så billig, som det overhovedet er muligt at lave den.
»Formlen kan bruges på den måde, at hvis man har et materiale, og man gerne vil designe noget at stikke i materialet med, kan formlen fortælle, hvad forholdet skal være mellem stikkerens længde og tykkelse ved basen,« forklarer Kaare Jensen.
\ Når forskere efterligner naturen
Biomimetik/bionik er det forholdsvis nye forskningsfelt, hvor forskere henter inspiration i naturen til at lave ny og forbedret teknologi.
Tanken bag biomimetik er, at naturen har brugt milliarder af år på at skabe perfekte løsninger på en lang række problemstillinger, og at vi mennesker i mange tilfælde bliver stillet over for de samme problemstillinger.
Derfor bør vi også mange gange kigge på løsningerne i naturen i stedet for at udvikle vores egne.
Princippet gælder inden for matematik, fysik, kemi, bioteknologi, nanoteknologi og medicin, og blandt andet velcro og selvrensende vinduer er designet efter inspiration af naturen.
Her kan du læse mere om, hvordan vi mennesker har lavet bedre produkter ved at kopiere naturen.
Brugte formel til at lave bedre kanyler
Kaare Jensen har allerede selv benyttet sin formel til at designe bedre kanyler til laboratoriet.
Kaare Jensen er planteforsker og skal ofte stikke små kanyler ind i planteceller, og her har han tit oplevet, at kanylerne knækker.
Det er standard, at forskere selv laver deres kanyler ved at varme små glaspipetter op og trække i dem, til de har den længde og tykkelse, som forskerne skal bruge.
Nu ved forskerne, hvordan de skal lave kanylerne, sådan at risikoen, for at de knækker, er mindst mulig.
»Mange gange vil man gerne optimere hverdagsprodukter, men man tænker måske ikke over, hvorfor tingene ser ud, som de gør. Her viser vi, hvordan stikkere skal se ud, for at de fungerer bedst muligt, og den formel kan andre benyttes sig af. Det er ikke noget, som vi har taget patent på,« siger Kaare Jensen.
\ Læs mere
Der må også være formel for bøjede pigge
Henrik Birkedal ser også andre potentielle forskningsområder i fremtiden.
Blandt andet pointerer han, at Kaare Jensen kun har udregnet en formel for lige stikkere, men at der i naturen også findes mange bøjede stikkere, som formentlig er designet ud fra en lignende formel, der knytter styrke sammen med produktionsomkostninger.
Denne formel vil Henrik Birkedal også meget gerne se.
»En hovedkonklusion må være, at hvis der findes en formel for at lave materialeøkonomiske lige strukturer, må der være en tilsvarende for bøjede strukturer, som man også finde mange af i naturen, eksempelvis nogle torne fra roser, næsehorns horn og kæber fra marine orm. Det kunne være rigtig sjovt at finde den formel også, fordi den kan have lige så stor ingeniørmæssig værdi, når vi mennesker skal designe produkter,« siger Henrik Birkedal.
På Videnskab.dk's univers Forskerzonen har DTU-forskeren Torben Lenau tidligere forklaret, hvordan han og kollegerne arbejder på at lave kanyler inspireret af myggens snabel. Se videoen fra 2018 her:
