¡banco, banco, banco! Estas plantas disparan sus semillas como balas – Ars Technica

Arbustos en flor conocidos como Hamamelis Quizás sea mejor conocido por su uso en la medicina popular y como ungüento tópico natural para la piel. Pero las semillas también son de interés para biofísicos e ingenieros porque las cápsulas de hamamelis pueden lanzarse a velocidades increíblemente altas, gracias a un mecanismo de resorte incorporado. Investigadores de la Universidad de Duke han descubierto por qué, contrariamente a lo esperado, las velocidades de liberación de semillas son casi las mismas, a pesar de que las semillas de distintas especies pueden tener masas muy diferentes. Describen sus resultados en un nueva hoja Publicado en el Journal of the Royal Society Interface.

“La gente me pregunta todo el tiempo: ¿Por qué miras plantas que liberan semillas?” dijo el coautor Justin Jorge, estudiante de posgrado de la Universidad de Duke. «Es la rareza de sus resortes. Cuando pensamos en cosas realistas, generalmente pensamos en bandas elásticas, espirales o arcos de tiro con arco. Pero en biología, tenemos todas estas formas extrañas y complejas. Quizás haya algunos beneficios en estas formas que pueden «Se utilizarán para mejorar el diseño de manantiales artificiales.» Como los que se utilizan en los pequeños robots saltadores, pero primero tenemos que entender cómo funcionan estos manantiales biológicos.

Según Jorge y la coautora, la consultora Sheila Patek, existen innumerables ejemplos de manantiales biológicos en la naturaleza que abarcan una amplia gama de escalas y funciones, incluidos saltamontes, hongos bala de cañón y trampas de vejiga carnívora, todos los cuales utilizan estos mecanismos para desencadenar balística. Las hormigas con mandíbulas trampa utilizan la acción elástica de soltar sus mandíbulas para atrapar a sus presas, mientras que los saltamontes usan sus patas elásticas para protegerse de los depredadores. Ambas especies, además de la rana, también pueden utilizar el mecanismo para lanzar sus cuerpos. Las plantas con flores como el hamamelis utilizan la activación primaveral para liberar semillas de sus frutos.

A Jorge le fascinó esto último. El mecanismo principal involucra la semilla lisa extruida y la estructura dura que la recubre, llamada endocarpio. Cuando llega el momento de sembrar las semillas, el interior leñoso comienza a secarse y deformarse, y esta deformación aplica una fuerza a la semilla. Pero la semilla resiste esa fuerza deformante, por lo que se acumula presión a partir de toda la energía (potencial) almacenada en la cáscara interna. Finalmente, esta presión se vuelve lo suficientemente grande como para superar la resistencia de la semilla, y la semilla es expulsada con fuerza, a menudo a velocidades de hasta 30 pies por segundo en medio milisegundo. Velocidades más altas significan una mejor dispersión de las semillas para que las especies puedan avanzar y reproducirse.

Para obtener más información, George primero recolectó hamamelis de tres variedades diferentes de Duke Gardens y Duke Forest, ambos en Durham, Carolina del Norte. Cada fruta intacta se unió a un bloque de metal por la base (de modo que el revestimiento interior pudiera rebotar) usando pegamento de cianoacrilato. Luego se mantuvo el bloque de metal en su lugar y las semillas disparadas se fotografiaron con una cámara de alta velocidad a 100.000 fotogramas por segundo mientras se seguían automáticamente sus trayectorias. Después de su liberación, George recogió las semillas y realizó pruebas de caracterización de diferentes materiales en ellas, además de medir la masa tanto de las semillas como de las plantas de interior, para calcular la relación entre estas dos variables.

Por lo general, existe un equilibrio entre la masa del proyectil y su velocidad; por ejemplo, las flechas más pesadas disparadas por una ballesta se mueven más lentamente que las flechas más ligeras. Pero Jorge y Patek descubrieron que las velocidades de disparo de las semillas de hamamelis eran esencialmente las mismas a pesar de sus diferentes masas. (Algunas de las semillas pesaban menos que un grano de arroz, sólo 15 miligramos, mientras que otras pesaban diez veces esa masa).

«Una ballesta puede disparar flechas más pesadas a velocidades similares o incluso mayores que las flechas más ligeras si, en relación con las flechas más pesadas, la cuerda del arco se tira más hacia atrás, o si se utiliza una ballesta diferente que requiere más fuerza o desplazamiento y, por lo tanto, puede almacenar más potencial elástico. energía», Libros Jorge Patek. Al menos una especie de camarón mantis también puede aumentar el almacenamiento de energía elástica en proporción al aumento de la masa corporal. El hamamelis ha desarrollado una adaptación similar. Aquellos con semillas más pesadas también tienen endoesqueletos más grandes que pueden almacenar energía potencial más elástica. El siguiente paso será analizar las diferentes fuerzas que actúan sobre una semilla de hamamelis mientras está en vuelo.

Las lecciones aprendidas de dicha investigación podrían ayudar a mejorar los actuadores robóticos y los sistemas accionados por resorte. El hecho de que las semillas de hamamelis utilicen una única estructura como motor y resorte es una gran ventaja, según Jorge y Patek. Por ejemplo, un Estudio 2021 informó sobre el desarrollo de un saltador de hidrogel sintético, inspirado en plantas, que salta mediante la activación de un resorte. Esto, concluyeron, «revela el potencial de aprovechar la energía ambiental para generar energía». «El hamamelis y otras plantas que disparan semillas proporcionan una gran cantidad de ejemplos de los materiales y geometrías utilizados para formar estructuras de resorte compactas».

Revista de interfaz de la Royal Society, 2023. DOI: 10.1098/rsif.2023.0234 (sobre identificadores digitales).

Imagen de listado de YouTube/Universidad de Duke