Un nuovo studio spiega per la prima volta i principi alla base della progettazione delle punture, aghi, e picchi in animali e piante. I principi possono essere utilizzati direttamente nello sviluppo di nuovi strumenti e apparecchiature mediche.

Kaare Hartvig Jensen e i suoi colleghi della DTU Physics hanno avuto ripetute esperienze in cui le piccole pipette di vetro che usano per estrarre il fluido dalle cellule vegetali si sono rotte al contatto con la parete cellulare. Ciò ha infastidito i ricercatori e ha suscitato il loro interesse per oggetti appuntiti simili in natura che non si rompono quando vengono utilizzati. Ciò include spine su piante come cactus e ortiche o punture e spine di molti insetti, alghe, ricci, e altri animali.

L'idea di cercare ispirazione nella natura non è nuova per Kaare Hartvig Jensen, che appartiene a un gruppo crescente di ricercatori biomimetici. Si concentrano sull'esplorazione del design della natura per trovare ispirazione per innovazioni tecniche relative a, Per esempio, strumenti e attrezzature mediche.

Sulla base di una vasta gamma di esperimenti

Per acquisire maggiori conoscenze sull'argomento, Jensen e i suoi colleghi hanno condotto esperimenti modello e raccolto dati da oltre 200 specie, esaminando il design di vari oggetti appuntiti in animali e piante. Il loro campo di studio era ampio e comprendeva parti appuntite di piante o animali utilizzate per scopi molto diversi, ad esempio per aderire a una superficie, ingerire nutrimento, o difesa. L'analisi ha inoltre incluso aghi o punture su animali e piante che sono fatti di materiali e dimensioni molto diversi, che vanno dai più piccoli virus e picchi di alghe, misura solo 50 nanometri, alla parte appuntita più lunga del mondo di un animale, la zanna di narvalo di 2,5 metri.

I ricercatori hanno incluso anche la progettazione di oggetti appuntiti artificiali come chiodi, aghi per siringhe, e armi (antiche lance e lance) lunghe fino a sei metri.

Il design garantisce resistenza ed elasticità

L'ampio database ha permesso ai ricercatori di identificare come gli strumenti appuntiti della natura sono progettati per essere abbastanza forti da penetrare la pelle umana o animale, Per esempio, e abbastanza duro da garantire che la punta non si rompa quando viene a contatto con la pelle.

"I nostri risultati hanno mostrato che esiste una chiara correlazione tra la lunghezza di un ago o puntura e il suo diametro, sia vicino alla punta che dove si attacca alla pianta o all'animale. In questo modo, possono essere garantite sia la necessaria resistenza che l'elasticità della punta, se su un'ortica o una zanzara", dice Jensen.

"Allo stesso tempo, è chiaro che gli strumenti appuntiti della natura sono al limite di ciò che è fisicamente possibile. Ed è anche chiaro che i disegni sono molto simili, indipendentemente dal fatto che stiamo osservando i picchi su scala nanometrica di un virus o il becco di 1,5 metri di un pesce spada, "dice Jensen.

I risultati del nuovo studio sono stati recentemente pubblicati sulla rispettata rivista scientifica Fisica della natura .

Lo studio ha incluso anche oggetti appuntiti creati dall'uomo che hanno già imitato in larga misura le forme naturali.

"Questa nuova conoscenza su come calcolare il design ottimale di un oggetto appuntito può essere utilizzata in futuro per progettare, per esempio., aghi per siringhe per ottimizzare l'allocazione dei farmaci. O nel disegnare le unghie, consentendo una riduzione del consumo di materiale senza perdere la necessaria stabilità, "dice Jensen.

Gli stessi ricercatori hanno anche utilizzato i risultati per riprogettare le loro pipette di vetro in modo che non si rompano più durante l'estrazione del fluido dalle cellule vegetali.