中科院理化所王樹濤教授團(tuán)隊(duì)/北航劉歡教授團(tuán)隊(duì)：仿松塔超慢運(yùn)動

更新時(shí)間：2022-11-29

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大自然為人類社會的進(jìn)步和發(fā)展提供了源源不斷的靈感和動力。向自然學(xué)習(xí)，有所發(fā)現(xiàn)，有所發(fā)明，有所創(chuàng)造，有所進(jìn)步，是科學(xué)發(fā)展的一條行之有效的途徑。

松塔的吸濕運(yùn)動為人工驅(qū)動器的設(shè)計(jì)和制造提供了許多靈感。目前認(rèn)為，松塔的開合是由鱗片外層的“肉"（石細(xì)胞，sclerids）比內(nèi)層的“筋"（維管束，vascular bundle）的收縮膨脹更大引起的。但以往的研究只專注于研究松塔的彎曲機(jī)制，而忽略了彎曲過程和原本的功能特點(diǎn)。松塔為了讓風(fēng)和動物把種子傳播到遠(yuǎn)離母樹的地方繁衍，只有在長期干燥的環(huán)境下才會打開。對于松塔的超慢運(yùn)動，目前的機(jī)理還無法給出相應(yīng)的解釋，并且這一機(jī)制也很難解釋單獨(dú)的維管束也具有濕度響應(yīng)特征。因此，松塔的超慢濕度響應(yīng)機(jī)制目前仍然是不清楚的。

最近，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所王樹濤研究員團(tuán)隊(duì)和北京航空航天大學(xué)劉歡教授團(tuán)隊(duì)合作，重新審視松塔的吸濕運(yùn)動，揭示了松塔濕度響應(yīng)的超慢運(yùn)動的奧秘，并受此啟發(fā)研發(fā)了具有類松塔濕度響應(yīng)的超慢運(yùn)動的人工驅(qū)動裝置，其運(yùn)動速度比現(xiàn)有的濕度響應(yīng)驅(qū)動器低兩個(gè)數(shù)量級，其整個(gè)運(yùn)動過程難以察覺。相關(guān)工作以“Unperceivable motion mimicking hygroscopic geometric reshaping of pine cones"為題發(fā)表在Nature Materials雜志上。該工作得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的大力支持。文章第一作者是張飛龍博士和楊曼博士，通訊作者為王樹濤研究員和劉歡教授，徐雪濤和劉熹博士共同參與本研究，江雷院士為本研究提供了專業(yè)的指導(dǎo)。

現(xiàn)象與發(fā)現(xiàn)

1.松塔的吸濕變形是一個(gè)超慢的過程

松塔完.全打開需要相當(dāng)長的時(shí)間，約24小時(shí)(圖1a)。在具有吸濕變形能力的植物組織中，松塔鱗片的厚度歸一化的形變速度是最小的（圖1b），這與其長距離種子傳播的功能是一致的。

2.維管束本身也能夠吸濕變形

研究發(fā)現(xiàn)，維管束（VB）本身就可以吸濕變形，且具有比外層的“肉"（skin）更大的變形能力和運(yùn)動速度(圖1c, d)，表明VB在鱗片的濕度響應(yīng)運(yùn)動中起關(guān)鍵作用。而“肉"和整個(gè)鱗片的運(yùn)動速度都遠(yuǎn)低于骨架（skeletons）和VBs。同樣，與骨架和VBs相比，浸水的鱗片和“肉"的含水量更高，脫水速度更慢。

因此，可以得出結(jié)論，VBs驅(qū)動鱗片的吸濕變形，而保水性好的“肉"減緩形變速度。

圖1. 松塔、鱗片及其各組成部分的吸濕運(yùn)動。

維管束（VB）的變形機(jī)制

1.彈簧狀微管和方形微管的異質(zhì)結(jié)構(gòu)

為了探究VBs的彎曲機(jī)理，作者對VB的微觀結(jié)構(gòu)及各組成的吸濕膨脹行為進(jìn)行了研究。從橫斷面掃描電鏡圖可以看出，VB具有典型的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，包含兩種管狀的細(xì)胞壁，且兩者邊界清晰(圖2a-d)。重構(gòu)的微管三維結(jié)構(gòu)圖和縱向截面圖進(jìn)一步證實(shí)了，維管束是由平行排列的彈簧狀微管和方形微管組成的典型的異質(zhì)結(jié)構(gòu) (圖2 e-g)。

2.彈簧狀微管和方形微管的吸濕膨脹行為不同

通過機(jī)械剝離的方法，作者得到了彈簧狀微管/方形微管對，并利用環(huán)境掃描電鏡(ESEM)對其吸濕運(yùn)動進(jìn)行了原位觀察(圖2h)。隨著相對濕度的增加，彈簧狀微管伸長，微管對向方形微管側(cè)彎曲(圖3c)。相反，隨著濕度的降低，微管對向彈簧狀微管側(cè)彎曲。根據(jù)上述結(jié)果，作者提出了一維彈簧狀微管/方形微管異質(zhì)結(jié)構(gòu)的簡化模型以解釋VB的吸濕形變(圖2i)。

圖2. 維管束的異質(zhì)結(jié)構(gòu)和彎曲機(jī)制

仿松塔的超慢運(yùn)動驅(qū)動器

受此啟發(fā)，研究人員利用雙組份3D打印技術(shù)制備了由彈簧狀管和方形管構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本單元，在管中填充吸濕聚合物，以模擬鱗片中的“肉"增加吸濕路徑，降低膨脹速度 (圖3a, b)。打印出的彈簧狀管/方形管展現(xiàn)出類似于松塔的吸濕變形性能(圖3c)。利用簡化模型與3d打印技術(shù)的可編輯性和兼容性，僅通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)各種精細(xì)的形狀轉(zhuǎn)變調(diào)控(圖3d)。利用打印出的彈簧狀管/方形管對，作者制作了一個(gè)可移動工作臺，實(shí)現(xiàn)對上面的物體的超慢運(yùn)輸，不會周圍的環(huán)境水造成干擾 (圖3e-g)。利用打印出的彈簧狀管/方形管對作為支架，探測器也可以在超慢運(yùn)動的情況下增大監(jiān)測范圍(圖3h)。

圖3. 仿松塔結(jié)構(gòu)的超慢驅(qū)動裝置

該工作為理解松塔和其他植物組織的濕度響應(yīng)形變提供了新的思路和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，也為開發(fā)刺激響應(yīng)驅(qū)動器提供了新的物理模型。

該工作被新加坡國立大學(xué)（NUS）的Cecilia Laschi教授和意大利理工學(xué)院（IIT）的Barbara Mazzolai教授在《Nature Materials》雜志同期的News & Views專欄以“Move imperceptibly"為題，進(jìn)行了專題報(bào)道。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41563-022-01391-2

來源：材料科學(xué)前沿