玫瑰刺形狀背後隱藏的物理原理

 (https://royalsocietypublishing.org/rsif/article/23/241/20251300/482753/Mechanical-limits-shape-the-eccentric-form-of-rose?searchresult=1)

 薔薇科植物或許是帶刺植物中最廣為人知的例子。歌德1771年的詩作《野玫瑰》（ Heidenröslein）生動地描繪了試圖採摘玫瑰的潛在後果：“ Ich steche dich, Dass du ewig denkst an mich”（我會刺你，你永遠不會忘記）。時至今日，玫瑰依然是人們喜愛的浪漫觀賞植物，但它們對人類而言卻始終存在著安全隱患。

刺是一種物理防禦武器，用於阻止食草動物的侵害，因此其功能與海綿骨針、仙人掌刺和刺蝟刺等類似。這些刺的橫截面近似圓形，可以表示為底面半徑為r的線性錐形圓柱體。這種幾何形狀提供了一種經濟高效的設計：圓形刺針可以克服穿透摩擦，同時避免屈曲。考慮到植物器官中圓形器官的普遍存在，玫瑰刺具有逐漸變細的橢圓形橫截面和長寬比，這一點令人驚訝。也就是說玫瑰刺的穿透力較弱，有時可能無法穿透目標組織。玫瑰刺偏離圓形形態的原因仍不明。

為了探討玫瑰刺為何比許多其他植物的刺更扁平，這一項研究利用一種名為聚二甲基矽氧烷（PDMS）的柔性矽基材料製造了人工刺。確保這些人工刺的橫截面形狀各不相同，從近似圓形到越來越窄、越來越扁平的形狀不等。然後利用小型機器人將人造刺在明膠中移動。確定每根刺在包括人類皮膚在內的柔軟材料上拖曳時的感覺。研究結果表明：橢圓形刺在切割方面相對更勝一籌（或許還能幫助植物攀爬）。它們比圓形刺表現更好，圓形刺在被剪斷時容易彎曲或折斷。