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建模与仿真

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能效导莲叶生长

11 Feb 2020
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水式适应: 莲花叶片在水(左)和上方(右)的结构和形状受到机械力的影响。 (礼貌:F Xu / Fudan University)

当水生莲花植物的叶子时, Nelumbo Nucifera,漂浮在水面上,它们是大而扁平的,沿着边缘短褶边。然而,有趣的是,在水上升高的茎上的莲花植物产生锥形,具有较大,更长的波动。现在,中国的工程师团队发现,差异不是遗传,而是由于叶子浮动的水产生的机械效果是导致的。

范徐是一位上海复旦大学的机械工程师,开始研究莲花的形状,当时他注意到中国池塘周围的不同叶子形状。

在最新的研究中,发表于 物理评论信,徐和同事转向数学模型和叶状物料,以测试水条件影响叶形的假设。

为了准确地模拟叶子的成长,团队将叶片切割出与水接触时生长的橡胶材料。由于阳光刺激莲花叶的生长,因此植物往往朝着太阳曲线弯曲,并根据光点击的地方,以不同部位的不同速率以不同的速率蔓延。为了模仿这一点,研究人员在预期增长的地方润湿假叶。他们还漂浮在水上的一些模型,观察其如何影响其增长。

能量差异出现

它们的模型叶子和数学模拟都产生的叶片与池塘和水道的叶子相匹配 - 平坦的浮叶,周围的边缘紧绷,非漂浮锥形叶子,具有较大的起伏朝向叶子的中心流动。对这些模式的解释结果是叶子底侧的水层的生物物理效果的组合,以及叶子的自然倾向,以尽可能节能地生长。

当莲花叶子没有水,徐和同事解释时,模型表明,莲花植物的最能节能的方式生长是生产锥形,长,大波形振荡。然而,对于生长在水的叶子,产生这种形状需要叶子抬起粘附在其下侧的水。相反,叶子在边缘变平,褶皱,这更能节能。在水上的叶片也产生波状的起伏,而不是生长平坦,因为它们产生的材料和表面积比扁平板材成长,这意味着它们会扣和皱纹。

“我们在理论上和实验中发现,短波长屈曲的配置能够对躺在液体上的生长膜具有充满活力的优势,而全球屈曲形状更优选悬浮的形状,”研究作者得出结论。

研究人员表示,他们的工作突出了生物物理学效应如何影响植物形态发生。他们添加了这些知识,可以利用来控制人造材料的形态。

版权©2021由IOP Publishing Ltd和个人贡献者