Os cientistas mediram a rapidez com que os membros da família da hamamélis podem liberar suas sementes graças aos frutos carregados de mola.
Arbustos floridos conhecidos como Bruxa Hazel Talvez seja mais conhecido por seu uso na medicina popular e como pomada tópica natural para a pele. Mas as sementes também são de interesse para biofísicos e engenheiros porque as cápsulas de hamamélis podem ser lançadas a velocidades incrivelmente altas, graças a um mecanismo de mola integrado. Pesquisadores da Duke University descobriram por que – contrariamente às expectativas – as velocidades de liberação das sementes são quase as mesmas, embora as sementes entre espécies possam ter massas muito diferentes. Eles descrevem seus resultados em um nova folha Publicado no Journal of the Royal Society Interface.
“As pessoas me perguntam o tempo todo: por que você olha plantas que liberam sementes?” disse o co-autor Justin Jorge, estudante de pós-graduação na Duke University. “É a estranheza de suas molas. Quando pensamos em coisas realistas, geralmente pensamos em elásticos, bobinas ou arcos de arco e flecha. Mas em biologia, temos todas essas formas estranhas e complexas. Talvez haja alguns benefícios nessas formas que podem ser usados para melhorar o design de fontes artificiais.” Como os usados nos pequenos robôs saltadores, mas primeiro temos que entender como funcionam essas fontes biológicas.
De acordo com Jorge e a coautora, a consultora Sheila Patek, existem inúmeros exemplos de fontes biológicas na natureza, abrangendo uma ampla gama de escalas e funções, incluindo saltadores de sapos, fungos bala de canhão e armadilhas carnívoras para bexiga – todos os quais usam esses mecanismos para desencadear balística. As formigas com mandíbula-armadilha usam a ação elástica de liberar suas mandíbulas para capturar a presa, enquanto os gafanhotos usam suas pernas elásticas para afastar predadores. Ambas as espécies, além do sapo, também podem utilizar o mecanismo para lançar seus corpos. Plantas com flores, como hamamélis, usam a ativação da primavera para liberar sementes de seus frutos.
Jorge ficou fascinado por este último. O mecanismo primário envolve a semente extrusada lisa e a estrutura dura que a envolve, chamada endocarpo. Na hora de semear, o interior lenhoso começa a secar e a se deformar, e essa deformação aplica uma força à semente. Mas a semente resiste a essa força deformante e, assim, a pressão aumenta a partir de toda a energia (potencial) armazenada na casca interna. Finalmente, esta pressão torna-se suficientemente grande para vencer a resistência da semente, e a semente é ejectada com força, muitas vezes a velocidades de até 30 pés por segundo em meio milissegundo. Velocidades mais altas significam melhor dispersão das sementes para que as espécies possam avançar e se reproduzir.
JF George e SN Patek, 2023
Para saber mais, George primeiro coletou hamamélis de três variedades diferentes em Duke Gardens e Duke Forest, ambas em Durham, Carolina do Norte. Cada fruta intacta foi fixada a um bloco de metal pela base (de modo que o revestimento interno ficasse livre para saltar para trás) usando cola de cianoacrilato. O bloco de metal foi então mantido no lugar e as sementes queimadas foram fotografadas com uma câmera de alta velocidade a 100 mil quadros por segundo enquanto suas trajetórias eram rastreadas automaticamente. Após a liberação, George coletou as sementes e fez testes caracterizando diferentes materiais sobre elas, além de medir a massa tanto das sementes quanto das plantas de interior, para calcular a relação entre essas duas variáveis.
Geralmente há uma compensação entre a massa do projétil e sua velocidade, por exemplo, flechas mais pesadas disparadas por uma besta movem-se mais lentamente do que flechas mais leves. Mas Jorge e Patek descobriram que as velocidades de disparo das sementes de hamamélis eram essencialmente as mesmas, apesar das suas diferentes massas. (Algumas das sementes pesavam menos que um grão de arroz, apenas 15 miligramas, enquanto outras pesavam dez vezes essa massa.)
“Uma besta pode disparar flechas mais pesadas em velocidades semelhantes ou até maiores do que flechas mais leves se, em relação às flechas mais pesadas, a corda do arco for puxada mais para trás, ou se for usada uma besta diferente que exija mais força ou deslocamento e possa, portanto, armazenar mais potencial elástico energia”, Jorge Patek Livros. Pelo menos uma espécie de camarão louva-a-deus também pode aumentar o armazenamento de energia elástica em proporção ao aumento da massa corporal. Hamamélis desenvolveu uma adaptação semelhante. Aqueles com sementes mais pesadas também têm endoesqueletos maiores que podem armazenar mais energia potencial elástica. O próximo passo será analisar as diferentes forças que atuam sobre uma semente de hamamélis enquanto ela está em vôo.
As lições aprendidas com essas pesquisas podem ajudar a melhorar os atuadores robóticos e os sistemas acionados por mola. O fato das sementes de hamamélis utilizarem uma única estrutura como motor e mola é uma grande vantagem, segundo Jorge e Patek. Por exemplo, um Estudo 2021 relataram o desenvolvimento de um saltador de hidrogel sintético, inspirado em plantas, que salta por acionamento de mola. Isto, concluíram eles, “revela o potencial para aproveitar a energia ambiental para gerar energia”. “A hamamélis e outras plantas que produzem sementes fornecem uma riqueza de exemplos de materiais e geometrias usadas para formar estruturas de molas compactas.”
Interface Journal da Royal Society, 2023. DOI: 10.1098/rsif.2023.0234 (sobre identificadores digitais).
Imagem de listagem do YouTube/Duke University
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