– Det begynte egentlig mens jeg var på en forskerkonferanse i Vietnam, samtidig med at de store, tropiske trærne i slekten Dipterocarpus slapp de modne frøene sine. Men disse frøene faller ikke rett ned: Isteden spinner frøene som et helikopter, slik at de kan fly sidelengs med vinden over forbløffende avstander, forteller førsteamanuensis Andreas Carlson ved Matematisk institutt.
Carlson reiste hjem fra Vietnam med en idé som ikke ville slippe taket. Han tenkte på at flypionéren Otto Lilienthal måtte gruble og eksperimentere i årevis før han omsider klarte å konstruere verdens første vellykkede glidefly i 1891. Det lå enda mer arbeid bak utviklingen av verdens første helikopter, som lettet i 1936.
Men naturen har altså behersket både glidefly- og helikopterteknologien i millioner av år før vi mennesker klarte å kopiere bragden. Snart var Carlson i full gang i laboratoriet, med hjelp fra blant annet sommerstudenten Richard Andre Fauli (videoen) og stipendiaten Jean Rabault. Går det an å lage kunstige helikopterfrø som flyr enda bedre enn de naturlige?
"Blowing in the wind" byr på fordeler
Dipterocarpus er en artsrik slekt med mange store trær som hører hjemme i tropiske strøk. De store "helikopterfrøene" fra Dipterocarpus gjorde inntrykk på Carlson.
Det biologiske poenget med frø som er «blowing in the wind» er åpenbar: Trær som Dipterocarpus kan bli store, høye og gamle, og det betyr at et frø som faller rett ned, vil lande i skyggen av det voksne treet og gå til grunne. Men et frø som kommer seg langt nok vekk, kan håpe på å lande et sted hvor det er nok sollys og næring til at det kan spire og vokse til et nytt tre. Dipterocarpus-trærne har med andre ord en annen spredningsstrategi enn for eksempel eplene, som ikke faller langt fra stammen, men isteden satser på å bli spist og spredd på den måten.
Andreas Carlson er matematiker med spesiell interesse for mekanikk og væskedynamikk, og kunnskapene om væskedynamikk er nyttige når man skal studere flygende frø. Luft og andre gasser kan nemlig i mange tilfeller studeres som om de skulle være væsker, for de fysiske lovene er de samme.
Frøet roterer som et helikopter
– Forklaringen på at frøene kan fly så langt, er at de har to krumme vinger som gjør at frøene roterer om sin egen akse, omtrent som et helikopter. Dette skaper en oppdrift, slik at frøene blir bremset på vei nedover gjennom luften. Dessuten er vingene asymmetriske, og kombinert med litt vind fører det til at frøene kan transporteres sidelengs med vinden før de omsider treffer bakken, forklarer Carlson.
De tropiske trærne i Dipterocarpaceae-slekten er slett ikke de eneste plantene som produserer frø som kan fly langt: Flere hundre arter i mange ulike planteslekter har former som gjør at de sprer seg langt med vinden. Den hjemlige platanlønnen produserer for eksempel to og to frø som har hver sin vinge og henger sammen, slik at frøene får en rotasjon og en oppdrift som bremser fallet mot bakken.
Løvetannen er et velkjent eksempel på en plante med en annen løsning. Der er det lette frøet koblet til en fnokk, det vil si et fjærliknende sveveorgan med omtrent samme funksjon som en fallskjerm.
Vil du ha flere forskningsnyheter om realfag og teknologi? Abonner på vårt ukentlige nyhetsbrev eller følg oss på Facebook.
Har naturen funnet den optimale løsningen?
– Man må bare la seg imponere over det «kunststykket» naturen har fått til med disse frøene. Men så begynte jeg å lure på om evolusjonen av Dipterocarpus-trærne har klart å finne fram til den optimale løsningen for “helikopterfrø”. Kanskje det går an å finne en optimal geometri som skaper frø med enda mer oppdrift, forteller Carlson.
De helikopterliknende frøene fra Vietnam inspirerte ham dermed til å starte et kombinert grunnforskningsprosjekt og et utdanningstilbud til bachelor-studenter som ønsker å lære om 3D-printing.
– 3D-printing er en teknologi som blir stadig mer utbredt og som mange av våre studenter kommer til å møte i arbeidslivet. Derfor har fakultetet støttet forskningsrettet undervisning via 3D-printing i kurset fluidmekanikk, hvor en del av opplegget er å undersøke om vi kan konstruere kunstige frø med enda bedre oppdrift enn de naturlige Dipterocarpus-frøene. Vi har rett og slett konstruert en rekke ulike frø i datamaskinene våre, og så printer vi dem ut i tre dimensjoner for å teste hvor fort de synker i en væskefylt beholder, forteller Carlson.
Andreas Carlson og studentene har brukt en 3D-printer som koster ca. 25 000 kroner og som baserer seg på en teknikk som heter stereolitografi. “Arket” i printeren er en væske med en polymer som stivner og blir fast når den belyses med en laserstråle, og så sveiper denne laserstrålen gjennom væsken og bygger opp frøene, lag for lag.
– Laserprinteren har høy oppløsning og egner seg godt til å bygge komplekse geometrier, forteller Carlson.
Bare fantasien setter grenser
3D-forskerne ved Matematisk institutt har et godt samarbeid med den USA-baserte bedriften Formlabs, som produserer 3D-printere og ligger langt fremme når det gjelder å utvikle nye bruksområder. Formlabs sendte blant annet representanten Max Zieringer til UiO i begynnelsen av september 2017 for å forelese for studentene.
– Gullsmedene har allerede begynt å bruke dataverktøy for design av ringer, og deretter 3D-printer de en mal som brukes til å lage selve ringen og gir mulighet til å sjekke at størrelsen passer akkurat til fingeren din eller å enkelt gjøre endringer i design. Tannlegene bruker 3D-printing på en liknende måte når de skal lage kirurgiske guider, og framtiden byr trolig på spesialdesignede plomber og kroner.
I høst lanserte Formlabs en tjeneste hvor du kan designe din egen joggesko, med en form som passer perfekt til foten din. Om noen år kan du kanskje printe en billig reservedel til vaskemaskinen din hjemme, istedenfor å bestille en kostbar del fra en lager og vente i to uker. Og så videre. 3D-printere er nå på vei inn på så mange områder at det bare er fantasien som setter grenser, mener Carlson.
Utdanning:
- I studieprogrammet Anvendt matematikk og mekanikk (master - to år) kan du lære utvikling og bruk av moderne IT-verktøy til å analysere og løse problemer i naturvitenskap og teknologi.
- I studieprogrammet MEK3230 - Fluidmekanikk får du en innføring i fluidmekanikk, det vil si den matematiske beskrivelsen av bevegelsen til væsker og gasser (fluider).
