Pęd dociera do podpory
W nadmorskim lesie restinga w Brazylii Selenicereus setaceus rośnie wśród pni, gałęzi i skał. Jego młode pędy mogą wychodzić poza obrys korony i przekraczać wolną przestrzeń. Soffiatti i Rowe obserwowali odcinki szukające podpór o zasięgu dochodzącym do około metra. Utrzymanie takiego odcinka wymaga odpowiedniego połączenia masy, kształtu i sztywności. [Soffiatti i Rowe 2020, Soffiatti i Rowe 2020, Results, Ecology and Phases of Growth]
Budowa przekroju zmienia się wraz z rozwojem. Młode odcinki mają skrzydlaste żebra i gwiaździsty zarys. Pędy wspinające się są zwykle trójkątne, a starsze odcinki u podstawy stają się okrągłe lub eliptyczne. Wysunięcie tkanek ku obwodowi pomaga oprzeć się zginaniu, podczas gdy starsza oś może przenosić obciążenie już przytwierdzonego pędu. [Bastola i wsp. 2021, Bastola i wsp. 2021, s. 2–3, Soffiatti i Rowe 2020, Results][Soffiatti i Rowe 2020, Bastola i wsp. 2021, s. 2–3, Soffiatti i Rowe 2020, Results]
Miękkie tkanki uczestniczą w podparciu
Pęd składa się z zewnętrznej osłony, soczystej kory pierwotnej i centralnego walca drewna. Bastola i współpracownicy badali zginanie całych odcinków oraz właściwości poszczególnych tkanek. W pędach szukających podpory kora i osłona zewnętrzna odpowiadały łącznie za 60–94% sztywności zginania. Woda zgromadzona w komórkach uczestniczy więc także w pracy mechanicznej pędu. [Bastola i wsp. 2021, Bastola i wsp. 2021, s. 1, 5–8]
Śluzowata tkanka kory zachowywała się w pomiarach jak lepkoelastyczne ciało stałe. Część energii odkształcenia magazynowała, a część rozpraszała. Autorzy porównali ten układ z hydrożelem zamkniętym w osłonie. Jego właściwości zmieniały się z wiekiem tkanki. Centralne drewno wnosiło z kolei duży udział w odporności na ściskanie. Ten podział funkcji pozwala pogodzić magazynowanie wody z utrzymaniem wydłużonego organu. [Bastola i wsp. 2021, Bastola i wsp. 2021, s. 5–13]
Cierń stabilizuje pierwszy kontakt
Na żebrach znajdują się areole, krótkopędy wytwarzające między innymi ciernie. W rozwijającym się wierzchołku ciernie są skierowane ku przodowi i leżą blisko powierzchni. Podczas dojrzewania ich końce odginają się ku podstawie albo na boki. Powstają drobne haki, które mogą zaczepić się o nierówność podpory zaraz po zetknięciu z nią. [Rowe i wsp. 2023, Rowe i wsp. 2023, sekcja 3.1, ryc. 4][Soffiatti i Rowe 2020, Rowe i wsp. 2023, sekcja 3.1, ryc. 4]
Rowe i współpracownicy oddzielnie rozciągali pojedyncze ciernie i korzenie związane z pędem. Test ciernia oceniał wytrzymałość jego połączenia z areolą przy określonym kierunku obciążenia. Obserwowane uszkodzenia obejmowały wygięcie i odłączenie ciernia oraz rozdzielenie miękkich tkanek areoli. Taki sposób ustępowania połączenia może ograniczać przenoszenie nadmiernej siły na cały soczysty pęd. [Rowe i wsp. 2023, Rowe i wsp. 2023, sekcje 2.2, 3.2, 4.4]
Korzeń wzmacnia połączenie
Po szybkim zaczepieniu cierniami rozwijają się korzenie przybyszowe. Są połączone z wewnętrznym walcem drewna i wydostają się przez miękkie tkanki na powierzchnię pędu. Przytwierdzenie korzeniem wymaga czasu potrzebnego na wzrost. Pierwszy kontakt utrzymywany przez haki stabilizuje zatem organ podczas powstawania późniejszego, mocniejszego połączenia. [Rowe i wsp. 2023, Rowe i wsp. 2023, sekcje 3.1, 4.3, ryc. 5–6]
W próbach rozciągania połączenie korzenia z pędem wytrzymywało średnio większą siłę niż połączenie ciernia. Autorzy badali jednak wytrzymałość korzenia i jego zakotwienia wewnątrz pędu. Siłę przylegania korzenia do kory drzewa trzeba mierzyć osobno, ponieważ zależy od rodzaju powierzchni i rozwoju korzenia. Dwustopniowy mechanizm opisuje kolejność zaczepienia i wzmacniania kontaktu, z zachowaniem tych odrębnych granic pomiaru. [Rowe i wsp. 2023, Rowe i wsp. 2023, sekcje 2.3, 3.3, 4.2]
Wzrost w ruchomym środowisku
Wiatr porusza gałęziami i zmienia odległości między punktami zaczepienia. Układ łączący elastyczny pęd, liczne ciernie i później rozwijające się korzenie może rozkładać obciążenia pomiędzy wiele miejsc. Obserwacje w restinga pokazują, że ta sama roślina korzysta z pni, drobnych gałęzi, powierzchni skalnych i podłoża. Wyniki dla S. setaceus tworzą szczegółowy model tego gatunku. Inne pnące kaktusy mają własny układ cech wymagający odrębnego badania. [Rowe i wsp. 2023, Rowe i wsp. 2023, sekcje 4.1–4.3, Soffiatti i Rowe 2020, Discussion][Soffiatti i Rowe 2020, Rowe i wsp. 2023, sekcje 4.1–4.3, Soffiatti i Rowe 2020, Discussion]
Badania zwróciły uwagę konstruktorów robotów rosnących przez wydłużanie ich korpusu. Lekki przekrój skrzydlasty, warstwowa organizacja materiałów i połączenie szybkiego haka z wolniejszym zakotwieniem dostarczają zasad projektowych. Biomechanika kaktusa pozwala więc prześledzić drogę od budowy żywej tkanki do pomysłu technicznego. Opracowanie takiego urządzenia nadal wymaga własnych pomiarów materiałów, sił i niezawodności. [Bastola i wsp. 2021, Bastola i wsp. 2021, s. 11–14, Soffiatti i Rowe 2020, Discussion][Soffiatti i Rowe 2020, Bastola i wsp. 2021, s. 11–14, Soffiatti i Rowe 2020, Discussion]
Failure without Tears: Two-Step Attachment in a Climbing Cactus
Rowe N. P., Cheng Clavel L., Soffiatti P., Failure without Tears: Two-Step Attachment in a Climbing Cactus, Biomimetics, 2023, 8(2):220, doi: 10.3390/biomimetics8020220
Dwustopniowe przytwierdzanie pędów Selenicereus setaceus za pomocą cierni i korzeni oraz mechaniczne próby uszkodzenia ich połączeń z pędem.
Structural performance of a climbing cactus: making the most of softness
Bastola A. K., Soffiatti P., Behl M., Lendlein A., Rowe N. P., Structural performance of a climbing cactus: making the most of softness, Journal of the Royal Society Interface, 2021, 18(178):20210040, doi: 10.1098/rsif.2021.0040
Warstwowa organizacja pędu Selenicereus setaceus, udział miękkich tkanek w zginaniu oraz pomiary reologiczne i próby ściskania.
Mechanical Innovations of a Climbing Cactus: Functional Insights for a New Generation of Growing Robots
Soffiatti P., Rowe N. P., Mechanical Innovations of a Climbing Cactus: Functional Insights for a New Generation of Growing Robots, Frontiers in Robotics and AI, 2020, 7:64, doi: 10.3389/frobt.2020.00064
Pokrój, zmienne przekroje i dwustopniowe przytwierdzanie pnącego kaktusa jako biologiczne modele dla robotyki.
