Laut Forschern der University of Central Florida (UCF) könnte das Geheimnis für den Bau sicherer Brücken oder die Schaffung effektiver Vehikel für die Bereitstellung von Medikamenten in der Luft an einem vertrauten, aber unerwarteten Ort liegen – den Schalen von Orangen.

Beim Auspressen einer Orange setzen Mikrodüsen in der Schale einen dünnen Strahl duftenden Öls frei.

Durch eine eingehende Analyse der mechanischen Struktur der Orangenschale, UCF Assistant Professor of Engineering Andrew K. Dickerson und Doktorand Nicholas M. Smith haben die spezifischen Mechanismen bestimmt durch die dieses Öl freigesetzt wird.

Die Forschung wird veröffentlicht in Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.

Die Mechaniker

Es hat alles mit dem Aufbau der Schichten in der Orangenschale zu tun.

Eine harte Außenschicht dient als Schutzfunktion und ist schwer zu durchstoßen.

Eine zweite Schicht darunter hat eine weiße, schwammige Textur. Diese Schicht enthält mikroskopisch kleine Taschen des duftenden Öls.

Das schwammartige Material ist flexibel und kann Stöße absorbieren, aber wenn es auf einen bestimmten Druck gedrückt wird, wird ein Loch in die äußere Schicht der Schale gebohrt.

Wenn dies geschieht und die Öltaschen aufbrechen, treiben die Mikrodüsen das duftende Öl, das sich in der unteren Schicht versteckt, mit erstaunlicher Kraft aus. Das Öl wird mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 22 Meilen pro Stunde freigesetzt und beschleunigt 5,000 Gs, was dem 1,000-fachen der Kraft entspricht, die Astronauten beim Start erfahren.

Real-World-Anwendungen

Die Forscher glauben, dass das Wissen über diese biologische Funktion in visionären Designs in verschiedenen Bereichen genutzt werden könnte.

Dickerson stellt sich zwei potenzielle Designanwendungen vor.

„Stellen Sie sich vor, billig, einmalig zu verwenden Notfallinhalatoren, die nach Bedarf in öffentlichen Kliniken oder abgelegenen Dörfern verteilt werden“, sagte er. „Das leichte Schaumstoffpolster wird in einem Plastikbeutel verpackt und durch eine Papphülle vor dem Verbiegen geschützt.“

„Zur Verwendung wird der Schaum aus seiner Hülle gezogen und in der Nähe des Mundes positioniert“, fuhr er fort. „Der Benutzer drückt es ein wenig, als würde er das Schaumstoffpolster in zwei Teile falten. Düsen platzen aus der glänzenden, dünnen Membran, die eine Seite des Pads bedeckt (diese Seite nach oben). Die Düsen erzeugen einen kurzen feinen Nebel, der vom Benutzer leicht eingeatmet werden kann. Das Gerät ist jetzt verbraucht und entbehrlich.“

Ein solcher Inhalator könnte leicht tragbar, kostengünstig, entbehrlich, vielleicht sogar biologisch abbaubar sein.

Außerdem stellt er sich ein einzigartiges System zur Überwachung der strukturellen Integrität von Brücken vor.

„Brückenglieder biegen, biegen und verdrehen“, sagte er. „Diese Art von Aktionen verursacht Öldrüsenreservoirs bei Zitrusfrüchten platzen. Wir stellen uns ähnlich gestaltete "Häute" vor, die auf künstliche Strukturelemente aufgeklebt sind. Oberhalb eines kritischen Grades der Biegung oder Verdrehung könnten sie so konstruiert sein, dass sie einen Farbstoff freisetzen, der in winzigen Reservoirs in der äußersten Oberfläche eingebettet ist und uns eine visuelle (oder olfaktorische) Warnung ausgibt.“

Tragbare Inhalatoren, farbwechselnde Brückensicherheitssysteme – einzigartige Konzepte wie diese sind vielleicht nur die Spitze des Eisbergs. Einmal in den Händen kreativer Ingenieure weltweit, ist nicht abzusehen, wie diese Forschung genutzt werden könnte.

Bevor diese Visionen Wirklichkeit werden können, muss jedoch noch mehr über die Funktion von Orangenhaut-Mikrojets geforscht werden.

"Zuerst müssen wir Größe und Proportionen herausfinden", sagte Dickerson in einer Erklärung. „Es ist wichtig, die Funktionsweise der Mikrodüsen genau zu verstehen und ihre Stabilität für die medizinische Anwendung abzustimmen. Die Größe der Tröpfchen und die Menge der darin enthaltenen Medikamente sind entscheidend. Wir haben noch einen Weg vor uns, bevor Anwendungen untersucht werden können.“

Von der Natur lernen

Die Forscher glauben, dass das Studium der Natur interessante und einzigartige Möglichkeiten bietet, technische Systeme zu betrachten.

Dickerson, Experte für Fluiddynamik, hat bereits umfangreiche Forschungen zu natürlichen Designs betrieben.

Er hat zum Beispiel die Dynamik von nassen Hunden und anderen Säugetieren erforscht schütteln ihr Fell, sowie die Art und Weise, dass Mücken überleben Kollisionen mit Wassertropfen bei Regenstürmen.

Diese beiden Studien könnten Ingenieuren und Biologen gleichermaßen Aufschluss geben. Die erste zeigt, wie man große Flächen schnell trocknet, während die zweite uns helfen könnte, gezielte Strategien gegen Mücken zu entwickeln.

"Die Natur hat viele Iterationen, Generationen und Jahrtausende für das Versuchsdesign", sagte Dickerson. „Die Natur ist unser größter Lehrer. Ist die Natur perfekt? Nein, aber es kann uns viele Lektionen beibringen und wir kratzen gerade erst an der Oberfläche.“