Biomimetics

tentchoirAI and Robotics

Nov 15, 2013 (3 years and 11 months ago)

84 views

Biomimetics
Eran Sharon
The Hebrew University of Jerusalem
יסדנה םוחת"שדח "הקיסיפ ןיב רפתב לעופה ,הימיכו היגולויב
ןויערה : תויסדנה תויעב הברה המכח הרוצב רתפ רבכ עבטה–קיתענו ונממ דמלינ
תואמגוד
1 .םילבח
תושירד :קזוח ,תושימג ,םישק םייתביבס םיאנתב תודימע.
תיעבט תכרעמ :שיבכע ירוכ
רתוי םיקזח ,םילק ,רתוי םידימעו םישימג
ב םירצונself assembly יכרריה הנבמל םירטמוננ םיביס לש
תוכחל תונויסינ"הזכש רוציי ךילהת"
היחש
הקימנידורדיהב הנבה בייחמ רופיש–ררג תדרוה
עבטב תונורתפ שופיח
םישדח םי ידגב תריציל שירכה רוע לש דחוימה הנבמה יוקיח
ילאידיא קבד :
"קיזחמ "לודג סמוע ,םיצורשכ ררחתשמ
םלועה תפולא:
תיכוכז לע ספטל הלוכי
Uncontrolled tearing
Controlled tearing
Two Generations
Three Generations
Front
Side
Plastic
Beet
Violet
Lettuce

רשקה המ??
"ימצע בוציע "הלידג ידי לע
Finite differences simulation of thin membranes
with a metric:
2222
)( dydxyfds +=
by
Aeyf

+=1)(
2
cyby
BeAeyf
−−
++=1)(
2
ya
a
yf
+
+= 1)(
2
The Metric is the generation
of
Different functions f(y) generate different cascades
sufficient for
buckling cascade
M. Marder, ES, B. Roman and S. Smith, Euro, Phys. Lett, 62, 498, (2003).
B. Audoly and A. Boudaoud Phys. Rev. Lett 2003 ,096105 91
Front
Simulation
Experiment
Simulation
Experiment
Side
Why?Why
would a free sheet with “featureless” metric spontaneously wrinkle?
How?How
does it happen? – length scales, thresholds etc.
Is it relevant
to shaping of naturally growing sheets?
Is it relevant?
A short geometrical discussion
Experiments with responsive gel sheets
Measuring plants growth
Can it be turned into a manufacturing technique?
תייוסינ תכרעמ– תועירי"תותנכותמ"
N-Isopropylacrylamide gel - A volume
reduction transition at a 32C
0
that
strongly depends on monomer concentration
0 5 10 15 20 25 30 35 40
0
10
20
30
40
50
60


Shrinking (%)
Monomer Concentration (%)
7 %
5 %
6 %
8 %
10 %
Bis/monomer ratio
Warm (negative curvature)
Many possible geometries
Positive (no symmetry breaking)
Positive + flat
Positive + negative
t
0
=1 mm
t
0
=0.3 mm
Tubes
cold
Cold - Flat
warm
Y. Klein, E. Efrati and ES, Science. 315, 1116 (2007).
תפסונ אמגוד :םיערז לימרת תחיתפ
ינאכמה ךילהתה :תושבייתהמ האצותכ תילילס העוצרל החוטש העוצרמ רבעמ
תימינפ הרוטקטיכרא
Outer layerInner layer
תוחפנתהל םימרוג תוחל ייוניש/ תוצווכתהםיביסה ןווכל בצינב
Can such a simple architecture drive the observed shape transition?
תובצינ תויצטניירואב תויביס תובכש יתש
0≠
=
b
Ia
הדוקנ לכב תיפכוא תויהל הצורה העירי
Euclidian
Hyperbolic
Latex model sheets









=
k
k
b
0
0
“Minimal“








<
>
=
00
00
2
1
k
k
b
Copying the pod tissue architecture
החוטש הרטמה תקירטמ ןאכ , תוימומקעה רוזנט ךא"יפכוא"
b
Variation of shape with strip width (strips cut in 45
o
)
r
~
lwbbtlwaKKtE
tot
2352
)())(( −+−≈
Avoiding bending:
obeying b
narrow limit
wide limit
avoiding stretching:
obeying a
p
~
w
~
t
[mm]
k
[mm
-1
]
ktww
krr
kpp
/
~
~
~
=
=
=
232
)()( bbtaat −+−≈ε
Normalized pitch, radius and width
π2
~
=p
π
ν
π
4
)1(
2
~


=p
2
)1(
1
~


=
ν
r
Narrow strips in different angles Bauhinias, strips & simulation:
latex
Bauhinia
Theoretical configuration
Same material –different configurations, including handedness flipping
No Auxin
After 1 week
After 12 days
After 2 weeks
Application of Auxin
on the edge of the leaves
Auxin
Generation of gradient
of Auxin in the leaf
Generation of a hyperbolic
metric on the leaf
?
?
The leaf should turn
wavy
?
הלידג ןומרוה תחירמ ידי לע היצלופינמ)ןיסקוא(
םייח םיחמצ םע הדובע
Growth is not sensitive
to stresses
Growth is sensitive
to stresses
compression
The instability as a tool
in morphogenesis
Arabidopsis Wilde type Minor KN1 over expression Sever KN1 over expression
Testing using transgenic
Arabidopsis and tobacco
(a collaboration with Naomi Ori –the faculty of agriculture)
Jaw over expression
Original scan After smoothing
The 2D displacement field is
“lifted” to the 3D leaf surface.
the metrics and the growth tensor
are locally calculated.
Principle Growth directions
2D displacement
t1 t2
תימוקמה הלידגה תדידמל תכרעמ
Math-geometry
“Embedding experiments”
“bio”
Application
to morphogenesis
Physics
Wave selection
Stress distribution
Other topologies
The built-up of 3D
Structure (possibly responsive)
by prescribing metric properties.
Directions
design
A way for the construction
Responsive 3D structures