大自然的馈赠从松塔到超慢驱动器

　　中科院理化所供图
　　刺激响应性驱动器是一种将环境变化的能量转换成机械动能的装置，用于控制驱使物体进行各种预定动作。其在柔性机器人、传感器、能量转换等领域展示出广泛的潜在应用，因而受到了人们的广泛关注。
　　在这方面，我们需要向大自然学习大自然经过数亿年的进化，已孕育出许多具有独特的响应性运动特点的植物或组织。比如，捕蝇草和含羞草在受到触碰时会快速闭合叶子来捕食昆虫或躲避捕食者；茅膏菜通过变形包裹住捕捉到的昆虫以进一步消化；复活草在干旱条件下蜷缩包裹自己以减少水分损失；跳舞草会随着音乐舞动等。其实，一些凋亡的植物组织也具有响应性运动的特点，其主要依靠独特结构和组成实现对环境的响应，如松塔的鳞片、蒲公英的冠毛、豆荚、麦芒、冰叶日中花的种皮等。这些植物原型为人工驱动器的设计和制备提供了灵感和物理模型，是构筑新型功能性人工驱动器的有效途径。
　　对植物原型的理解是一个较为漫长的过程，且随研究视角和科技的进步而逐渐深入。松塔是最具代表性的植物原型之一，相关研究也已持续了一个多世纪。过去一个多世纪的研究工作主要集中在松塔的运动机制探索，即为什么会动，但对松塔的运动过程和特点缺乏关注。其实，松子需要在较长期的干燥环境中才可以被传播到远离母树的地方进行繁衍，因此松塔鳞片运动的速度是很慢的，以确保在其恰当的时机张开。松塔的这种湿度响应的运动机制一直被归因于鳞片外层的肉（石细胞）和内层的筋（维管束）上纳米纤维排列方向差异造成的吸湿膨胀差异，但目前的机制并不能解释其运动特点，并且无法解释其内层维管束能够独立运动的原因。松塔的超慢湿度响应机制目前仍然是不清楚的，探究其背后的机理将会为构建新型超慢运动驱动器提供新的思路。
　　带着这些疑问，科研人员重新审视了松塔的吸湿运动，对其运动过程和微观结构进行深入详细地观察，并对其机理进行了细致研究，最终揭示了松塔超慢运动的原理，完善了对松塔运动的传统认知。
　　研究发现，相比于其他运动型植物组织，松塔鳞片展示出最慢的运动速度，且保持大的形变量。将鳞片解剖后分别观察发现，内层的维管束具有快的运动速度和大的形变量，而外层的石细胞组织吸水量大、保水性好、运动速度慢且形变量小。对比得出，松塔鳞片的慢速运动是由维管束驱动的，而保水性好的石细胞组织减缓其运动。
　　通过对维管束的微观结构进一步观察发现，维管束是由平行排列的弹簧状微管和方形微管组成。这两种微管构成了典型的异质结构，其中，弹簧状微管聚集在鳞片外侧方向，方形微管分布在鳞片内侧方向。原位动态分析显示，弹簧状微管展示出更明显的吸湿伸长行为，使得在环境湿度升高时维管束向方形微管一侧弯曲。
　　受此启发，研究人员利用双组份3D打印技术制备了由弹簧状管和方形管构成的异质结构的基本单元，并在管中填充吸湿聚合物，以模仿鳞片中的肉来增大吸湿路径，成功制备了具有类似松塔吸湿运动的超慢运动的人工驱动装置，其运动速度比已报道的湿度响应驱动器低两个数量级，整个运动过程难以察觉。这种具有极慢动作的驱动装置有可能为伪装和侦察设备的构建提供新的思路。
　　向大自然学习是人类文明进步的重要途径，在大自然中有所发现，在认知过程中有所发明，在应用中有所创造，我们才能有所进步。