Чешуйки сосновых шишек закрываются в прохладную и влажную погоду и раскрываются в жаркую и сухую. Это необходимо для того, чтобы семена высвобождались и рассеивались только в теплых условиях, наиболее благоприятных для их прорастания. Раскрытие и закрытие происходит благодаря двум слоям целлюлозных волокон в каждой чешуйке, ориентированным в разных направлениях. При увлажнении оба слоя набухают, но из-за разной ориентации волокон набухание происходит по-разному: одна сторона чешуйки удлиняется, а другая изгибается, смыкая чешуйки. В сухую погоду слои возвращаются в исходное состояние, и чешуйки раскрываются.
Вдохновившись этим механизмом, ученые из немецких университетов Штутгарта и Фрайбурга разработали систему для окон Solar Gate. Эта решетчатая структура состоит из элементов, которые сами изгибаются, как чешуйки сосновой шишки. Элементы располагаются между двумя стеклянными панелями в оконном блоке, заключенном в алюминиевую раму. Вентиляционные отверстия, предусмотренные в конструкции рамы, обеспечивают циркуляцию наружного воздуха внутри блока, между стеклами.
Каждый элемент, изготовленный методом 3D-печати (технически — 4D-печати), состоит из трех слоев. Нижний слой образован расположенными бок о бок нитями из смеси целлюлозного порошка и термопластика. Благодаря содержанию целлюлозы эти нити, ориентированные перпендикулярно направлению изгиба, набухают при воздействии влаги.
Средний слой состоит из расположенных рядом, но с небольшими промежутками, нитей, сделанных из другого вида термопластика, который не разбухает при намокании. Эти нити расположены вдоль направления изгиба, то есть перпендикулярно нижним целлюлозным нитям. Верхний слой представляет собой сетку из гибких биокомпозитных нитей, расположенных диагонально к направлению изгиба. Их единственная функция — удерживать весь элемент вместе за счет соединения с двумя другими слоями.
Когда конструкция попадает во влажный воздух, целлюлозные нити нижнего слоя начинают набухать и расширяться. Но так как нити среднего слоя, которые с ними соединены, не дают им расширяться вверх, они могут расширяться только вниз и в стороны. Из-за этого неравномерного расширения элемент загибается вверх. Когда он высыхает, то снова становится плоским.
Для проверки работы технологии 424 элемента (в восьми оконных блоках) были установлены в южном световом окне здания Фрайбургского университета более чем на год. Зимой, в холодную и влажную погоду, элементы скручивались, пропуская солнечный свет для обогрева и освещения здания. Летом, в теплую и сухую погоду, они распрямлялись, блокируя солнечные лучи и помогая сохранить прохладу в помещении. Эта система затенения сама открывается и закрывается в зависимости от погоды, без использования энергии и каких-либо механических устройств.
