펠라고늄 씨앗 까끄라기의 나선형 습윤 변형 연구

Abstract

나선 구조의 까끄라기를 가지는 Pelargonium Appendiculatum 씨앗은 스스로 땅을 파서 자생할 수 있는 식물 중 하나이다. 세포벽에서의 단방향 흡습 팽창이 내부 구조의 배열 상태에 의해 까끄라기는 주변의 습도에 따라 나선형으로 꼬이게 된다. 그리고 이를 이용하여 씨앗의 모 식물에서 멀리 퍼트릴 수 있다. 씨앗이 땅에 안착한 후엔 낮과 밤 사이의 습도 차이를 이용하여 분화하기 충분한 깊이만큼 스스로 땅을 파는데, 이때 나선형 변형을 이용하여 흙에서의 저항을 줄인다. 식물 세포 내의 흡습 변형에 대한 다양한 연구가 이뤄지고 있으나 Pelargonium Appendiculatum 씨앗 까끄라기의 나선형 변형에 관해서는 명확히 알려지지 않았다. 본 연구에서는 Pelargonium Appendiculatum 씨앗 까끄라기 내부 구조를 분석하였 다. 이 분석을 토대로 까끄라기의 변형을 간단한 수학 모델로 나타내기 위해 세포 배열구조를 간단한 판 구조라 가정한 후 모델링 하였고, 이를 실제 모델과 비교하여 잘 맞음을 확인하였다. 또한, 우리는 식물 운동을 모방하기 위해 전기 방사(electrospinning)를 이용하여 흡습성 나선변형 액추에이터를 제조한 후 실제 까끄라기의 변형과 비슷한 변형이 일어남을 확인하였다.

Pelargonium seed, which has a helix configuration, is a common example of self-burrowing creatures in the botanical world. Since the seed awns are the unidirectional hygroexpansive materials, they deform helically, which allows them to reduce the granular drag of the digging the ground. Despite intensive study of helical deformation, the whole shape of helix of Pelargonium seed awn has not been treated. Here, we develop a simplified model, which was experimentally verified, to predict the helix shape of the seed awn. In addition, we fabricate the hygroresponsive helical actuators by electrospinning to mimic the botanical motion. We anticipate our work will shed light on the physics of helical motion of the seed awns and provide essential design parameters of tunable helical motion actuator.