Сосновая шишка научила солнцезащитный навес открываться самому

Положите сосновую шишку на подоконник, и она будет следить за погодой вместо вас. В сухой ясный день её деревянистые чешуйки широко раскрыты, как маленький деревянный цветок. Стоит зарядить дождям, и они плотно складываются, пока шишка не станет похожа на сжатый кулак. Никто её не заводит, внутри неё нет ничего живого, и всё же она продолжает так делать годами.

Как движется мёртвая шишка

Для дерева у этого движения есть понятная задача. Группа ботаников в журнале Frontiers in Plant Science объясняет, что шишки раскрываются в сухую погоду, потому что именно тогда ветер может далеко унести их лёгкие семена, и закрываются, когда сыро. Удивительно то, что помощь шишке не нужна. Два физика в журнале Journal of the Royal Society Interface отметили, что мёртвые шишки, лежащие на земле, продолжают открываться и закрываться каждый раз, когда попадают из сухого воздуха во влажный и обратно.

Их объяснение таково: каждая чешуйка состоит из двух слоёв. Один сложен из плотно упакованных толстостенных клеток, которые удлиняются, когда впитывают влагу, и укорачиваются, когда высыхают. Другой почти не реагирует. Поскольку слои соединены, чешуйка не может просто растянуться. Ей приходится изгибаться: в одну сторону, когда она мокрая, и в другую, когда сухая. Физики сравнили её с биметаллической пластиной, бутербродом из двух металлов, который изгибается при нагревании.

В чём люди часто ошибаются

Хочется сказать, что шишка предсказывает погоду. Это не так. Она отвечает на влагу, которая уже есть в воздухе вокруг неё, то есть рассказывает о том, что сейчас, а не о том, что будет завтра. И ничто в ней не принимает решений. Там нет ни мышц, ни нервов, только материалы, которые набухают по-разному.

Аккуратная картинка с двумя слоями тоже упрощение. Ботаники насчитывают в чешуйке четыре вида ткани, каждая из которых набухает и пропускает воду по-своему, и сообщают, что движение по-прежнему работает в обуглившихся шишках возрастом в миллионы лет. Ещё они обнаружили, что самое первое раскрытие свежей шишки совсем не плавное. Чешуйки склеены смолой, и учёные предполагают, что при высыхании сила нарастает, пока склейка не лопнет. Когда это происходит, чешуйки с треском расходятся примерно за 1,5 тысячной доли секунды.

Что позаимствовали инженеры

Инженеру трудно пройти мимо подвижной детали, которой не нужна энергия. Те два физика сделали цветок из бумаги и пластика, который распускается в воде и снова закрывается, когда высыхает. Исследователи из Фрайбургского и Штутгартского университетов пошли гораздо дальше и построили солнцезащитный навес. Их Solar Gate сделан из растительных целлюлозных волокон и напечатан на обычном 3D-принтере в два слоя по образцу чешуйки сосновой шишки.

Он установлен на обращённом к югу световом люке исследовательского здания во Фрайбурге, а перед этим его больше года испытывали в настоящей погоде. Во влажном воздухе напечатанные элементы впитывают влагу и, изгибаясь, открываются, впуская зимнее солнце. В сухом летнем воздухе они распрямляются, закрываются и не пускают жару. Это приём шишки, вывернутый наоборот, ведь шишка закрывается, когда она мокрая. Фрайбургский университет называет его первой системой затенения, которая откликается на погоду и работает без электрической энергии. Нет ни мотора, ни датчика, ни проводов, потому что всем этим служит сам материал. Сосновую шишку этим не удивишь. Она занимается этим уже очень давно.