Værd at Vide: Forskere aflurer fugles intuition for redebygning

Det er højsæson for redebygning i de danske haver. Nogle glædes over fuglefløjt, andre have- og husejere irriteres, når fuglene udser sig redesteder tiltænkt andre anvendelser. Men alle må imponeres af fuglenes ingeniørmæssige evner i at udvælge materialer med passende egenskaber, som de samler i en let, men holdbar struktur, der kan bære vægten af æg og fugleunger uden at kollapse. Hvornår har man sidst hørt om byggesjusk eller regulære byggeskandaler, når det gælder fuglereder? Det må til dels skyldes, at fugle besidder en unik materialeteknologisk indsigt, som forskerne først nu for alvor er ved at opnå.

»Når en fugl leder efter redemateriale, kan den finde på at stikke til eller ryste en pind, før den beslutter sig for, om den vil tilføje pinden til den rede, den er ved at bygge. Hermed relaterer den instinktivt de mekaniske egenskaber af et element til egenskaberne for den totale struktur, som spiller en afgørende rolle for beskyttelsen og udviklingen af fuglens uudklækkede afkom. Det er overraskende i betragtning af kompleksiteten af det resulterende materiale og vores egen begrænsede forståelse af dets mekaniske egenskaber.«

Sådan indleder en forskergruppe ledet af Mattia Gazzola og Hunter King fra henholdsvis University of Illinois at Urbana-Champaign og University of Akron, Ohio, en ny artikel i fysikernes favorittidsskrift, Physical Review Letters, hvor de eksperimentelt og teoretisk beskriver de mikromekaniske årsager til den plasticitet og hysterese, de for nogle få år siden fandt i redelignende pakninger. Fugle har nok en intuitiv fornemmelse for redebygning, forskere vil gerne finde forklaringer.

Forskernes eksperiment til at simulere en fuglerede består af 460 bambusrør af en længde på 76 mm og en diameter på 2,3 mm, der er placeret helt tilfældigt i en plastcylinder med en diameter på 140 mm. Med et stempel kan de presse bambusrørene sammen og undervejs i processen bestemme forholdet mellem deformation (tøjning, eller strain) som funktion af den påtrykte belastning (stress). Observationerne viser, at når belastningen fjernes, vender ‘reden’ tilbage til sin udgangsposition, men forholdet mellem stress og strain er forskelligt, når belastningen påtrykkes og frigives. Den har form som en hysteresekurve, som det bl.a. kendes fra sammenhængen mellem magnetisk fluxtæthed og magnetisk feltstyrke i visse magnetiske materialer.

Hysteresesløjfen indikerer, at under kompression bliver energi ikke kun lagret ved elastisk bøjning af rørene, en del bliver også omsat til varme, når rørene glider hen over hinanden – størrelsen er bestemt af arealet indesluttet af hysterese­sløjfen. Med røntgenstrålingsbaseret computertomografi (CT) kunne Gazzola og King skabe et fuldt overblik over, hvordan kontaktpunkterne mellem rørene ændrede sig under sammenpresning og den efterfølgende frigivelsesproces. Det viser, at antallet af kontaktpunkter for hvert rør øges under sammenpresning. Det gør rørene stivere og kan ses ved en ikkelineær sammenhæng mellem stress og strain. Friktion giver anledning til en asymmetri i den måde, hvorpå rørene glider hen over hinanden under sammenpresning og frigivelse, og det er med til at forklare hysteresesløjfen.

Det olympiske stadion i Beijing bygget til legene i 2008 hedder Fuglereden, men det er nu i bund og grund et traditionelt design, som ikke i sin mekaniske opbygning minder om en ægte fuglerede, der er karakteriseret ved, at der både er en form for orden og en form for uorden eller tilfældighed, som der findes ved granulære materialer. Brugen af granulære materialer og redelignende strukturer inden for arkitektur er noget, som Karola Dierichs, der i dag er professor ved Humboldt-Universität Berlin, har undersøgt i et ph.d.-projekt for få år siden ved Universität Stuttgart, så det er bestemt et område, hvor det er af interesse at forstå de helt fundamentale fysiske principper. Gazzola og Kings undersøgelse kritiseres dog for at afvige for meget fra en ægte fuglerede. Ikke mindst fordi en plastcylinder omslutter bambusrørene, mens en fuglerede holder sammen på sig selv, bl.a. ved at fugle under konstruktionen sørger for at bøje de strå og kviste, der stikker ud af reden, tilbage.

Gazzola og King anerkender selv dele af denne kritik. De pointerer afslutningsvis i den videnskabelige artikel, at analysen kun er et skridt på vejen til at karakterisere redelignende strukturer. Men de mener, det er vigtigt at opnå en dybere forståelse af sammenhængen mellem egenskaber for totale strukturer og egenskaberne for de elementer, den er opbygget af – noget, som er intuitivt for ‘de flyvende ingeniører’. Om byggerier inspireret af fuglereder så vil lede til færre byggeskandaler, er måske nok for meget at håbe.