Ein Team von Forschern hat die Bewegungsabläufe von Tannenzapfen genauer untersucht. Konkret ging es um das automatische Öffnen und Schließen der Samenschuppen. Nach der Untersuchung wurde eine biomimetische, 4D-gedruckte autonome Struktur entwickelt, die das Verhalten der Tannenzapfen imitieren soll. Die Forschungsarbeit dazu jetzt im „Philosophical Transactions of the Royal Society“ veröffentlicht.

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Forscher aus Deutschland und Kanada haben eine biomimetische 4D-gedruckte autonome Schuppen- und Klappenstruktur entwickelt und ihre Arbeit „4D pine scale: biomimetic 4D printed autonomous scale and flap structures capable of multi-phase movement“ jetzt bei „The Royal Society Publishing“ veröffentlicht. Bei den Materialien konzentrierten sich die Forscher dabei auf Verbundwerkstoffe, die auf Feuchtigkeit reagieren. MIT-Forscher hatten bereits ebenfalls Materialien und Verfahren zum 4D-Druck komplexer Formen und Objekte entwickelt.

Autarke Schuppen- und Klappensysteme

Künstliche Kiefernschuppen
Die Untersuchung sollte den Forschern Einblick in die vielseitigen und autarken Schuppen- und Klappensystemen geben (Bild © Autoren der Studie).

Die Untersuchung der Komplexität der Tannenzapfen-Samenschuppen sollte den Forschern Einblick in die vielseitigen und autarken Schuppen- und Klappensystemen geben. Sie untersuchten, wie die Tannenzapfen durch Feuchtigkeit in ihrer Umgebung beeinflusst werden, dennoch aber ihre Samen schützen, während sie nass sind.

Wassergetriebene nastische Bewegungsreaktionen sind strukturell in die einzelnen Samenschuppen programmiert. Die einzelnen Schuppen haben eine funktionelle Doppelschichtstruktur. Die Gewebestruktur wird abgestuft und von Skleridzellen am unteren Rand der Schuppe bis zu einer Region mit sklerchymatösen Strängen am oberen Rand.

Die Skleridschicht treibt an, die Sklerchymschicht sorgt für Widerstand. Die Schichten biegen sich entweder aufgrund des Feuchtigkeitsgehalts nach oben oder nach dem Trocknen mit der Öffnung nach unten. Die Forscher verwendeten einen FFF-3D-Drucker mit leichten Hochleistungs-Verbundwerkstoffen, verstärkten Polymeren und Holzverbundwerkstoffen, welche mit einer Co-Polyester-Polymermatrix gemischt waren. Damit konnten sie die untere Skleridschicht imitieren. Auch das für Feuchtigkeit anfällige ABS wurde verwendet, um die steifere obere Schicht für eine funktionelle Probe zu imitieren.

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Potenzial für künftige Forschungen

In 54 Bewegungsabläufen stellten sie die natürliche Umgebung nach. Das Material wurde abwechselnd in den Trockenofen und ein Aquarium gegeben. Sie konnten den Bewegungsablauf in einer gedruckten Version übertragen. Die Untersuchung bietet viel Potenzial für Wissenschaftler, die sich mit Robotik und Methoden zum Auslösen bewegungsähnlicher Schritte befassen.

„Für architektonische Anwendungen können diese neuartigen mehrstufigen Betätigungsbewegungen den Weg für die Entwicklung fortschrittlicher und passiv betätigter Fassadensysteme mit hochgradig maßgeschneiderter Formänderungskapazität weisen“, schlussfolgerten die Forscher.

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