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Die prächtigen Muster von Seeigelskeletten können ihre Struktur stärken

Seeigelskelette verdanken einen Teil ihrer Stärke einem gemeinsamen geometrischen Design.

Bestandteile der Skelette gemeiner Seeigel (Paracentrotus lividus) folgen einem ähnlichen Muster wie in Waben und Libellenflügeln, berichten Forscher im August Zeitschrift der Royal Society Interface. Das Studium dieser wiederkehrenden natürlichen Ordnung könnte die Schaffung von starken und dennoch leichten neuen Materialien inspirieren.

Seeigelskelette weisen „eine unglaubliche Vielfalt an Strukturen im Mikromaßstab auf, die von vollständig geordnet bis vollständig chaotisch reichen“, sagt die Meeresbiologin und biomimetische Beraterin Valentina Perricone. Diese Strukturen können den Tieren helfen, ihre Form zu bewahren, wenn sie Raubtierangriffen und Umweltbelastungen ausgesetzt sind.

Als Perricone ein Rasterelektronenmikroskop verwendete, um Tuberkel des Seeigelskeletts zu untersuchen – Stellen, an denen die Stacheln befestigt sind und die starken mechanischen Kräften standhalten – entdeckte Perricone „eine merkwürdige Regelmäßigkeit“. Tuberkel scheinen einer Art gemeinsamer natürlicher Ordnung zu folgen, die als Voronoi-Muster bezeichnet wird, fanden sie und ihre Kollegen heraus.

Dieses auf einem Computer generierte Voronoi-Muster stimmt zu 82 Prozent mit dem Muster überein, das in Seeigelskeletten gefunden wurde.V. Perrikone

Unter Verwendung von Mathematik wird ein Voronoi-Muster durch einen Prozess erstellt, der eine Region in polygonförmige Zellen unterteilt, die um Punkte innerhalb dieser Zellen herum aufgebaut sind, die Samen genannt werden (SN: 23.09.18). Die Zellen folgen der Nächster-Nachbar-Regel: Jeder Punkt innerhalb einer Zelle ist näher am Samen dieser Zelle als an jedem anderen Samen. Außerdem ist die Grenze, die zwei Zellen trennt, von ihren beiden Samen gleich weit entfernt.

Ein computergeneriertes Voronoi-Muster stimmte zu 82 Prozent mit dem Muster überein, das in Seeigelskeletten gefunden wurde. Das Team vermutet, dass diese Anordnung zu einer starken und dennoch leichten Skelettstruktur führt. Das Muster „kann als evolutionäre Lösung interpretiert werden“, die „das Skelett optimiert“, sagt Perricone von der Universität Kampanien „Luigi Vanvitelli“ in Aversa, Italien.

Seeigel, Libellen und Bienen sind nicht die einzigen Nutznießer der Voronoi-Architektur. „Wir entwickeln eine Bibliothek bioinspirierter, auf Voronoi basierender Strukturen“, die „als leichte und widerstandsfähige Lösungen“ für das Materialdesign dienen könnten, sagt Perricone. Sie hofft, dass diese neue Entwicklungen in den Bereichen Materialwissenschaft, Luft- und Raumfahrt, Architektur und Bauwesen anregen könnten.

V. Perrikone et al. Hexagonales Voronoi-Muster im mikrostrukturellen Design des Seeigelskeletts entdeckt. Zeitschrift der Royal Society Interface. Vol. 19, August 2022. doi: 10.1098/rsif.2022.0226.

Autoren: Rachel Crowell von Sciencenews

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