I naturen vrimler det av pigger som kan være store som narhvalens 2,5 meter lange støttann eller små som nanopigger som sitter på virus.

Mellom ytterpolene finner vi pigger på brennesler, myggens snabel, biens brodd, pinnsvinets pigger og så videre og så videre.

Nå viser ny dansk forskning at uansett om piggene sitter på et virus, en mygg, en narhval eller andre organismer, følger de akkurat samme matematiske regler: Forholdet mellom piggens lengde, tykkelse ved basen, materialets elastisitet og friksjon er nemlig alltid bygget opp etter samme formel.

Formelen er ingeniørtegningen for designet av den optimale piggen i forhold til styrke og materialforbruk, og naturen har brukt milliarder av år på å finne fram til den.

– Det overraskende er at alle pigger i naturen er designet på samme måte, og faktisk følger menneskeskapte «angivere» som lanser, kanyler og spiker den samme formelen, forteller mannen bak det nye forskningsresultatet, førsteamanuensis Kaare Jensen fra DTU Fysik ved Danmarks Tekniske Universitet (DTU).

Forskningen, som er støttet av Villum Fonden, er nettopp publisert i tidsskriftet Nature Physics.

Forskerkollega er begeistret

– Det er et flott forskningsarbeid, sier førsteamanuensis Henrik Birkedal fra Institutt for Kjemi og iNANO ved Aarhus Universitet.

Birkedal forsker selv på hvordan ingeniører kan la seg inspirere av naturen for å optimere ulike produkter og designer.

Han undersøker blant annet hvordan man ut fra muslingers skjegg kan lage superlim til sår.

Forskeren fra Aarhus synes studien er spesielt spennende fordi det peker på hvordan biologiske systemer er designet til å bruke minimale mengder materiale til å lage pigger som ikke knekker.

– Det gir retningslinjer for hvordan man for eksempel kan tenke seg å designe mikro- og nanoroboter som kan komme inn i den menneskelige kroppen og for eksempel være utstyrt med mer solide kanyler som avleverer medisiner over tid, sier Birkedal.

Formel kobler sammen piggers egenskaper

Kaare Jensen har sammen med sine kolleger undersøkt forholdet mellom 200 ulike piggers lengde og diameteren ved basen.

De mange dataene har forskerne fått dels fra den vitenskapelige litteraturen og dels fra egne eksperimenter.

Forskerne har også inkludert data for det materialet som piggene er designet av.

Noen pigger er laget av tenner. Det gjelder for eksempel narhvalens tann. Andre er laget av sammenrullete blader, proteiner, knokler eller alle mulige andre materialer med ulike grader av stivhet og materialegenskaper.

Ut av alle disse dataene har forskerne konstruert en formel for det optimale designet av en pigg ifølge evolusjonen:

D (F/E) 1/3L

• D er piggens diameter ved basen
• F er materialets friksjon, altså friksjon i form av trykket i det materialet som angiveren skal ned gjennom. Det kan i tilfellet med myggens snabel være hud.
• E er materialets elastisitet.
• L er piggens lengde.

Formel gjør pigger så billige som mulig

Skal naturen, eller for den saks skyld vi mennesker, designe den perfekte piggen, skal det altså skje etter denne formelen.

Da vil piggen ha de beste forutsetningene for ikke å knekke eller bøye når den skal stikkes ned gjennom et materiale, noe som for eksempel kan være en kanyle gjennom huden eller en spiker gjennom en planke.

Piggen vil også være så billig som det er mulig å lage den.

– Formelen kan brukes på den måten at hvis man har et materiale, og man gjerne vil designe noe å stikke i materialet med, kan formelen fortelle hva forholdet skal være mellom piggen lengde og tykkelse ved basen, forklarer Jensen.

Brukte formel til å lage bedre kanyler

Jensen har selv brukt formelen til å designe bedre kanyler for laboratoriet.

Jensen er planteforsker og skal ofte stikke små kanyler inn i planteceller, og her har han ofte opplevd at kanylene knekker.

Det er standard at forskere lager kanylene sine selv ved å varme opp små glasspipetter og trekke i dem til de har den lengden og tykkelsen som forskerne skal bruke.

Nå vet forskerne hvordan de skal lage kanylene, slik at risikoen for at de knekker, er minst mulig.

– Mange ganger vil man gjerne optimere hverdagsprodukter, men man tenker kanskje ikke over hvorfor ting ser ut som de gjør. Her viser vi hvordan pigger skal se ut for at de fungerer best mulig, og den formelen kan andre bruke. Det er ikke noe vi har tatt på patent på, sier Jensen.

Det må også være en formel for bøyde pigger

Henrik Birkedal ser også andre potensielle forskningsområder i framtiden.

Blant annet poengterer han at Jensen bare har regnet ut en formel for rette pigger, men at det i naturen også finnes mange bøyde pigger som antagelig er designet ut fra en lignende formel.

Denne formelen vil Birkedal også svært gjerne se.

– En hovedkonklusjon må være at hvis det finnes en formel for å lage materialøkonomiske rette strukturer, må det være en tilsvarende for bøyde strukturer, som man også finne mange av i naturen, for eksempel torner fra roser, neshornhorn og kjever fra marine ormer. Det kunne være veldig morsomt å finne den formelen også, fordi den kan ha like stor ingeniørmessig verdi når vi mennesker skal designe produkter, sier Birkedal.

På Videnskab.dks univers Forskerzonen har DTU-forskeren Torben Lenau tidligere forklart hvordan han og kollegene arbeider for å lage kanyler inspirert av myggens snabel. Se videoen fra 2018 her:

Referanse:

Kaare H. Jensen mfl: Universal elastic mechanism for stinger design, Nature Physics (2020), doi: 10.1038/s41567-020-0930-9 Sammendrag

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no. Les originalsaken på videnskab.dk her.