Water acquisition and water transport on the integument of moisture harvesting lizards : biophysical fundamentals and technical applicability

Comanns, Philipp; Wagner, Hermann; Baumgartner, Werner

doi:urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-060930

Water acquisition and water transport on the integument of moisture harvesting lizards : biophysical fundamentals and technical applicability = Wasserakquise und Wassertransport mit dem Integument feuchtigkeitserntender Echsen : biophysikalische Grundlagen und technische Anwendbarkeit

Comanns, Philipp

2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dipl.-Biol. Philipp Comanns

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (ii, 92 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Baumgartner, Werner (Thesis advisor) ; Wagner, Hermann (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-02-16

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-060930
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/667151/files/667151.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/667151/files/667151.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
water uptake (frei) ; directional water transport (frei) ; capillary (frei) ; biomimetics (frei) ; functional principles (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
In dieser Arbeit wurden feuchtigkeitserntende Echsen wie der Australische Dornteufel (Agamidae: Moloch horridus) und zwei Krötenechsen (Iguanidae: Phrynosoma cornutum, P. platyrhinos) untersucht. Diese Echsen weisen eine bemerkenswerte Anpassung an ihr trockenes Habitat auf. Besondere Hautstrukturen ermöglichen der Echse Wasser mittels Kapillarität zu sammeln und zum Trinken passiv zum Maul zu transportieren. Der ökologische Nutzen dieses Mechanismus ist das Sammeln von Wasser aus verschiedenen Quellen. Mögliche Quellen wurden hinsichtlich ihres Potentials zur Wasseraufnahme von Dornteufel und Krötenechse evaluiert. Für beide Arten wurde das Volumen der Kapillarkanäle bestimmt. Dornteufel, die in Wasser stehen können ihr Kapillarsystem füllen und trinken Wasser, wohingegen Wüstenkrötenechsen nur nach Ansprühen getrunken haben. Trinken fand mit 0,67 µL pro Mundbewegung statt. Das Sammeln von Wasser aus feuchtem Sand konnte die Kanäle zu 58 % füllen, aber keine Echse hat getrunken. Durch Versuche mit Hautrepliken in Kontakt mit feuchtem Sand, als auch einem möglichen Sandschaufeln auf den Rücken erscheint es naheliegend feuchten Sand als ökologisch sinnvolle Wasserquelle für M. horridus zu betrachten. Bei P. platyrhinos war die Menge an gesammeltem Wasser viermal geringer als beim Dornteufel. Berücksichtigt man das Trinken und Verhaltensaspekte wie Körperhaltung und nächtliches Eingraben, erscheint Regen eine wichtige Wasserquelle für P. platyrhinos zu sein.Der kapillare Wassertransport wurde für lebende Dornteufel mit Highspeed Videoanalyse charakterisiert. Ein Vergleich mit Museumspräparaten konnte die Notwendigkeit lebender Echsen für detaillierte Studien des Wassertransports zeigen. Bei Dornteufeln wurde keine Richtungsabhängigkeit beobachtet (im Gegensatz zu Phrynosoma), da applizierte Tropfen radial transportiert wurden. Zum Zeitpunkt an dem der Transport zum Erliegen kommt, sind die Kanäle nur noch 50 % gefüllt. Die Kanäle weisen eine hierarchische Struktur auf, größere Kanalbereiche, die Wasser schnell absorbieren können, und kleinere Kanäle enthalten, die durch Protuberanzen in den Hauptkanalbereich entstehen und die Transportdistanz um ca. 39 % erhöhen. Dies reduziert potentiell das zum Trinken benötigte Wasservolumen in den Kanälen. Bei P. cornutum findet der Wassertransport bevorzugt in Richtung Maul statt. Dieses Phänomen beruht auf geometrischen Prinzipien halboffener Kanäle, die verschaltete sind und sich periodisch verengen und weiten. Über einen bionischen Ansatz wurden diese Prinzipien verwendet, um Designs für einen technischen Funktionsnachweis zu entwickeln. Dazu wurde aus der Young-Laplace Gleichung ein theoretisches Modell hergeleitet, welches das lokale Verhalten einer Flüssigkeit in solchen Kapillaren beschreibt. Auf künstlichen Oberflächen, die mit Hilfe dieses Modells und abgeleiteter Designregeln strukturiert wurden, stoppt der Flüssigkeitstransport in eine Richtung während er in entgegengesetzter Richtung aufrecht erhalten wird. Der Flüssigkeitstransport ist passiv, d.h. ohne Bedarf externer Energie. Die Oberflächenstrukturen konnten erfolgreich auf Material-Flüssigkeitskombinationen übertragen werden wie bspw. Plexiglas® mit Wasser und Warmarbeitsstahl mit Öl oder Schmiermitteln. Für die Fertigung von Demonstratoren mittels Laser-strukturierung sind weitere Anpassungen des Strukturdesigns notwendig, um die Bildung potentieller sub-Kapillaren zu verhindern. Es kommen aber auch weitere Fertigungsverfahren in Betracht, die bei einer Vielzahl potentieller Anwendungen den Bedarf eines gerichteten, passiven Flüssigkeitstransports ermöglichen. Insbesondere können solche Oberflächenstrukturierungen bei Schmierung zu Prozessverbesserungen und Ressourceneinsparung führen.

Moisture-harvesting lizards, such as the Australian thorny devil (Agamidae: Moloch horridus) and two horned lizards (Iguanidae: Phrynosoma cornutum, P. platyrhinos) studied during this thesis, have remarkable adaptations for inhabiting arid regions. Special skin structures enable the lizard to collect water by capillarity and passively transport it to the mouth for ingestion. The ecological role of this mechanism clearly is the acquisition of water from various possible sources. Possible sources were evaluated regarding their potential for water uptake of M. horridus and P. platyrhinos. The water volume required to fill the skin capillary system was determined for both species. Thorny devils standing in water could fill the capillary system and drank its water, whereas desert horned lizards only drank when sprayed with water. Drinking occurred at about 0.67 µL per jaw movement. Water collection from moist sand could only fill the capillary channels to 58 % of their capacity, and none drank water. However, placing moist sand on skin replicas of thorny devils and considering sand shoveling behavior suggest that water collection from moist sand could be considered as the most ecologically-likely source for M. horridus on a regular basis. For P. platyrhinos the total amount of water collection from moist sand was four times less than that of thorny devils. Taking behavioral aspects, such as rain-harvesting posture and nocturnal burrowing, into account, rain appears to be a major water source for P. platyrhinos.Capillary water transport was characterized for live thorny devils using high-speed video analyses. Comparison with preserved specimens showed that live lizards are required for detailed studies of skin water transport. For thorny devils, there was no directionality in cutaneous water transport (unlike Phrynosoma) as water droplets applied to the skin were transported radially. The total capillary volume is reduced to 50 % filling by the time capillary transportation ceases. The channels were found to be hierarchically structured as a large channel between the scales that is sub-divided by protrusions into smaller sub-capillaries. The large cavities were considered to quickly absorb water and the sub-capillaries were identified to extend the transport distance by about 39 %. This potentially reduces the water volume required for imbibition. P. cornutum exhibits a directional water transport, where water is transported preferentially towards the lizard's snout. It could be shown that this phenomenon is based on geometric principles, namely on a periodic pattern of interconnected half-open capillary channels that narrow and widen. Following a biomimetic approach, these principles were used to develop designs for technical demonstrators of functionality. Building upon the Young-Laplace equation, a theoretical model for the local behavior of the liquid in such capillaries is derived. Artificial surfaces designed in accordance with this model and derived design rules prevent liquid flow in one direction while sustaining it in the other. This fluid transport is passive, requiring no external energy. The surface structures were successfully validated for material-liquid combinations such as Plexiglas® with water and hot working tool steel with oils and lubricants. Laser ablation for manufacturing demonstrators was found to require further adaptation of structure designs in order to avoid potential sub-capillaries. However, several fabrications methods can be considered for the great number of potential applications that require such directional, passive liquid transport. In particular, the surface structures could lead to process improvements and reduction of resources in fields of lubrication.

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