Artikkel

3D-printing forklarer hvordan «helikopterfrø» flyr

Helikopterfrøene fra det tropiske treet Dipterocarpus alatus har imponerende vinger.
"Helikopterfrøene" fra det tropiske treet Dipterocarpus alatus har imponerende vinger som gjør at frøene kan fraktes langt med vinden. Foto: Colourbox 28974733.

3D-printing forklarer hvordan «helikopterfrø» flyr

Mange treslag, særlig i tropene, har «helikopterfrø» som kan fraktes med vinden over lange avstander. Andreas Carlson og kolleger har undersøkt frukter og frø fra 27 ulike tresorter og funnet ut at de fleste har vinger med omtrent den samme geometrien – som også funker best på 3D-printede frø i laboratoriet.

Andreas Carlson med Richard Andre Fauli og Jean Rabault

Forskerne Jean Rabault (t.v.), Andreas Carlson og Richard Andre Fauli inspiserer noen av de kunstige frøene som ble produsert i 3D-printeren. Foto: Bjarne Røsjø Bruk bildet.

Matematikeren Andreas Carlson fikk ideen til et originalt prosjekt da han var på forskerkonferanse i Vietnam, samtidig med at de store, tropiske trærne i slekten Dipterocarpus slapp sine store, frøbærende frukter. Disse modne fruktene er utstyrt med krumme vinger som bremser fallhastigheten og fører til at fruktene spinner som et helikopter. Det innebærer at frukten med frøene kan bli fraktet sidelengs med vinden over forbløffende store avstander.

Andreas Carlson ble fascinert av at naturen har utviklet et helikopter-prinsipp mange millioner år før vi mennesker klarte å kopiere bragden. Siden Carlson er ekspert på fluid-mekanikk, det vil si fysikken til bevegelsen av gasser og væsker, var ikke veien lang til et forskningsprosjekt.

Frøene begeistret også Attenborough

Andreas Carlson er ikke den første som har latt seg fascinere av de naturlige helikopterfrøene og -fruktene; han er isteden i godt selskap med blant annet BBC-legenden David Attenborough. I et klipp fra BBC-serien The Private Life of Plants hevder Attenborough at naturen har funnet en nær perfekt balanse mellom fruktenes størrelse og vingenes utforming; en liten endring ville ført til at frøet falt rett ned istedenfor å seile avgårde med vinden.

Andreas Carlsons forskning tyder på at Attenborough i alle fall har delvis rett i sin påstand. Nå har Carlson og forskerkollegene Jean Rabault og Richard A. Fauli ved Matematisk institutt nemlig undersøkt «helikopterfrø» fra intet mindre enn 27 ulike tresorter fra både Afrika, Asia, Nord- og Sør-Amerika, og funnet påfallende likheter. Resultatet av denne forskningen ble publisert i et av verdens mest anerkjente fysikk-tidsskrifter, Physical Review Letters, 16. januar 2018.

– Både fruktene og vingene varierte ganske mye i størrelse. De største frøene var på størrelse med en valnøtt og hadde et vingespenn på opptil 20 cm, mens andre var mye mindre. Men det som var felles, var at vingene hadde omtrent den samme krumningen. De naturlige frøenes vinger har en nær optimal foldingsvinkel eller krumning, forteller Carlson.

3D-printede frukter liknet de naturlige

Helikopterfruktenes geometri kan beskrives med matematiske symboler.
De beste kunstig fremstilte helikopterfruktene, som kan inneholde mange frø, hadde en vinge-geometri som liknet på de naturlige fruktene. Foto: Andreas Carlson, UiO.  Bruk bildet.

De tre matematikerne har også brukt en 3D-printer til å lage en serie kunstige frukter av plast, med varierende kurvatur og geometri på sine vinger. Da viste det seg at vingene på de kunstige fruktene som falt saktest, og derfor ville fly lengst hvis de ble tatt av vinden, konvergerte rundt den samme geometrien som hos de naturlige variantene.

Betyr det at naturen har funnet fram til den optimale utformingen av «helikopterfrø» som skal fly lengst mulig med vinden?

– Både ja og nei, svarer Carlson. – Det er jo en grunn til at menneske-konstruerte helikoptre har rette rotorblader, for da flyr de mest effektivt. Men trærne har flere begrensinger i sin utvikling, der vingene har flere andre funksjoner, og naturen klarer trolig ikke å lage helt flate vinger. Derfor nøyer vi oss isteden med å si at naturen antakelig har funnet en nær optimal løsning ut fra de mulighetene som er tilgjengelige, svarer Carlson.

Mange av de 27 frøene kom fra planteslekten Dipterocarpaceae, som ikke har noe norsk navn men omfatter mange tropiske trær som kan bli opptil 70 meter høye. Også arter i slireknefamilien (Polygonaceae), maurefamilien (Rubiaceae) og den tropiske slekten Hernandiaceae var med i undersøkelsen.

Det finnes ingen norske planter med rene «helikopterfrø», men løvtreet lind (Tilia cordata) har et frø med en krummet vinge som gjør at det roterer når det faller mot bakken.

Helikopterfrø reiser langt

Det biologiske poenget med frukter og frø som er «blowing in the wind» er tilsynelatende åpenbar: Trær som Dipterocarpus kan bli både store, høye og gamle – og det betyr at en frukt eller 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 før det lander, kan håpe på å ha funnet et sted hvor det er nok sollys og næring til at det kan spire og vokse til et nytt tre.

Trærne med helikopterfrø har med andre ord en annen spredningsstrategi enn for eksempel eplene, som ikke faller langt fra stammen, men isteden blir spist og får frøene spredd på den måten. Men: Er det virkelig den naturlige seleksjonen som har vært på ferde, slik at trær med frø som har gode fly-egenskaper, formerer seg bedre enn trær med frø som ikke kommer like langt avgårde?

– Det er vanskelig å bevise hvilken rolle evolusjonen har hatt i utviklingen av disse frøene, siden utviklingen må ha strukket seg over en så lang tidsskala. I tillegg er vi jo matematikere, og ikke trent som biologer. Dessuten vokser noen av de trærne vi har undersøkt i så tett, tropisk regnskog at frøene ikke vil komme langt vekk uansett hvor godt de roterer og flyr. De vil isteden bare kollidere med nabo-treet, antyder Carlson.

– Dessuten er det mange andre parametere enn vingenes krumming som avgjør hvor langt slike frø sprer seg i naturen. Det kan hende at for eksempel mus, ekorn, fugler eller andre dyr plukker opp frøene og frakter dem enda lenger bort, tilføyer han. Men at alle frøene har vinger med en lik krumning, tyder uansett på at flyge-egenskapene er en blant flere viktige faktorer!

Kunnskap for naturvernere

Dipterocarpus regnes av noen for å være et av verdens vakreste trær
Dipterocarpus alatus, som har flotte helikopterfrø,  er et tropisk tre i en familie  som ikke finnes i Norden. Trærne kan bli opptil 70 meter høye.  Foto: Wikimedia Commons / Huykhanhthai.

De tre matematikerne har nå undersøkt og beskrevet geometrien og fluid-mekanikken bak helikopterfrøene, og hvordan vingenes geometri påvirker flyge-egenskapene. Dette var så nyskapende at den vitenskapelige artikkelen nylig ble akseptert for publisering i det velrenommerte fagtidsskriftet Physical Review Letters.

Carlson ser for seg at den nye kunnskapen kan brukes for å beskytte truede tresorter.

– Mange plantearter, ikke minst i tropene, er truet av både klimaendringer, hugst og nydyrking av store arealer. De som er opptatt av å bevare artsmangfoldet i naturen har utviklet modeller for det som kalles dispersjon, altså plantenes evne til å spre frøene sine over varierende avstander. Resultatene fra vårt prosjekt bør kunne brukes til å utvikle bedre modeller for frøspredningen og bedre strategier for å verne disse artene, håper Carlson.

Det var for øvrig ingen enkel sak å samle frø fra tilstrekkelig mange tropiske trær og studere vingenes geometri, for botanikere har jo for vane å flatpresse planter og plantedeler før de havner i herbariet. Men forskerne James Schmidt og Jaboury Ghazoul fra forskningsinstituttet ETH Zürich hadde heldigvis også tatt bilder av mange slike frø, som de stilte til disposisjon. Dermed kunne UiO-forskerne beregne vinkler og geometriske parametere ut fra bildene, og så var de i gang.

– Det er tankevekkende at helikopterfrøenes vinger egentlig består av døde celler. Det ser faktisk ut til at krumningen oppstår mens cellene i vingene dør og tørker inn. Det har vi lyst til å se nærmere på i vårt neste prosjekt, forteller Andreas Carlson.

Kontaktperson:

Førsteamanuensis Andreas Carlson, Matematisk institutt

Vitenskapelig artikkel:

Jean Rabault, Richard A. Fauli, Andreas Carlson: Curving to fly: Synthetic adaptation unveils optimal flight performance of whirling fruits.  Physical Review Letters 122, 024501 – Published 16 January 2019.

Utdanning:

I masterprogrammet Anvendt matematikk og mekanikk (to år) lærer du om bruk og utvikling 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 bevegelse og fysikken til væsker og gasser (fluider).

Mer informasjon:

Physics online news: Optimum Wings for Flying Fruits. Published January 16, 2019

Les mer på Titan.uio.no:

Ny type materialer har overflate med justerbare egenskaper

Døde «celler» kan fortsatt utføre oppgaver

Natur-inspirerte materialer er så smarte at de bygger seg selv

 

Les også