Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4364
Main Title: Passive hydro-actuated unfolding of ice plant seed capsules as a concept generator for autonomously deforming devices
Translated Title: Passive hydrobetätigte Entfaltung der Mittagsblumen-Samenkapseln als Konzept für selbstverformende Systeme
Author(s): Razghandi, Khashayar
Advisor(s): Fleck, Claudia
Referee(s): Burgert, Ingo
Fleck, Claudia
Wagner, Manfred
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: In der Natur und ihren biologischen Systemen existieren zahlreiche Beispiele für gerichtete Bewegung durch spezifische Reaktion auf externe Stimuli. Diese potentiellen Quellen der Inspiration dienen oft als Vorbilder für energieeffiziente "Smart" Technologien. Vom Wasser getriebenen schnellen Zuschnappen der Venusfliegenfalle bis zum einfacheren ebenso hydroresponsiven Biegen der Weizengrannen, viele Pflanzen haben im Laufe der Evolution verschiedene Mechanismen entwickelt, um Wasser als Triebkraft ihrer Aktoren-Gewebe zu nutzen, die für spezifische und gerichtete Bewegung sowie die gewünschte Verformung sorgen. Das ist diesen Pflanzen möglich durch die Organisation ihrer Gewebe in ausgereiften, komplexen und hierarchisch organisierten Architekturen auf verschiedensten Skalen. Einige Arten der Familie Aizoaceae, auch bekannt als Mittagsblumen oder Ice plant, zeigen ein geniales Beispiel für solche passiven Betätigungssysteme, da sie einen "intelligenten" Mechanismus entwickelt haben, um ihre Schutzsamenkapseln öffnen zu lassen und die Samen nur in Anwesenheit von flüssigem Wasser (Regen) freizugeben. Schwerpunkt der ersten Phase dieser Arbeit war die Untersuchung der zu Grunde liegenden Mechanismen und der strukturellen und kompositorischen Basis von Wasser-getriebenen Bewegungen der Samenkapseln von Ice plant (Delosperma nakurense) auf ihren verschiedenen hierarchischen Ebenen. Fünf hygroskopische Kiele erwiesen sich als aktive "Muskeln", die zu einer reversiblen origamiartigen Entfaltung der Samenkapsel führen, wenn diese mit Wasser benetzt wird. Jeder Kiel besteht aus zwei wabenartigen Geweben, die aus hochgradig schwellfähigen und elliptisch-sechseckig geformten Zellen zusammengesetzt sind, die entlang einem inerten Träger organisiert sind. Als Hauptmotor der Aktuation wurde die signifikante Schwellung von hochgradig schwellfähigen zellulosereichen Innenschichten (CIL) im Lumen der Zellen identifiziert. Die Morphologie der CIL und deren physikochemische Reaktion auf Wasser wurde unter Verwendung einer Vielzahl von Techniken untersucht und damit gezeigt, dass der Entropiegewinn während der Wasserabsorption die Hauptantriebskraft für die Schwellung der Zellen ist. Die Umsetzung dieser relativ kleinen Energiebeiträge in eine konzertierte und komplexe makroskopische Bewegung, wurde durch ein optimiertes Design auf den verschiedenen Ebenen der hierarchischen Organisation des Systems erläutert. Das kooperative anisotropische Anschwellen der Zellen des hygroskopischen Gewebes führt durch das Timoschenko Doppelschicht-Biegeprinzip zu einer Umsetzung in eine Biegebewegung der Strukturen und letztlich zur Entfaltung der Samenkapseln. Inspiriert von den zugrunde liegenden Mechanismen in Ice plants, wurden zwei unterschiedliche Strategien entwickelt, um durch kleine Dehnungen im mikroskopischen Bereich eine vorprogrammierte Makro-Bewegung einer Wabenstruktur zu ermöglichen. Durch eine geschickte Anwendung dieses einfachen Prinzips, kann eine Mimik des biologischen Vorbilds im weiteren technischen Sinne zu zahlreichen Anwendungsbeispielen führen, wie als passive Schalter und Aktoren in der Biomedizin, Landschaftsgestaltung oder der Architektur.
Numerous examples of actuated-movements with specific responses of the structure to external stimuli can be found in biological systems, which can be a potential source of inspiration for the design of energy-efficient "smart" devices. From the hydro-driven rapid snapping of the Venus fly trap leaves to simple hydro-responsive bending of wheat awns, various plants have evolved different mechanisms to utilize water as an actuator to undergo a desired deformation via sophisticated architecture at different hierarchical levels of their systems. Some species of the family Aizoaceae, also known as ice plants, show an ingenious example of such passive actuation systems, as they evolved a smart mechanism to open their protective seed capsules and release their seeds only in the presence of liquid water (rain). The scope of the first phase of the thesis was to investigate the underlying mechanism and the structural and compositional basis of the hydro-actuated movement of the ice plant seed capsules (Delosperma nakurense) at several hierarchical levels. Five hygroscopic keels were found to be the active muscles responsible for the reversible origami-like unfolding of the seed capsule upon wetting. Each keel consists of two honeycomb-like tissues made up of highly swellable hexagonal/elliptical shape cells running along an inert backing tissue. The significant swelling of a highly swellable cellulosic inner layer (CIL) inside the lumen of these cells was found to be the main engine of the actuation. The morphology and physicochemical response of the CIL to water was studied using a variety of techniques and it was shown that the entropic changes during water absorption were the main driving force for swelling of the cells. The translation of such relatively small available energy to the complex movement at a macro scale was explained by an optimized design at different hierarchical levels of the system. The cooperative anisotropic swelling of the cells in the hygroscopic tissue is translated into a flexing movement of the structure via simple Timoshenko’s bilayer bending principle, which then results in an unfolding of the seed capsules. Inspired by the underlying mechanism in ice plant, two different strategies were developed to translate small strains at micro scale into a pre-programmed macro movement of a honeycomb structure. Through a clever application of the same simple concepts, one can "mimic" the biological model system in a broader engineering sense, with potential applications of such passive switches in biomedicine, agricultural engineering or architectural design.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-63607
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4661
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4364
Exam Date: 20-Nov-2014
Issue Date: 28-Apr-2015
Date Available: 28-Apr-2015
DDC Class: 500 Naturwissenschaften und Mathematik
620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Betätigung
Biomaterialien
Biomimetisch
Actuation
Biomaterials
Biomimetic
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/
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