大自然的饋贈：從松塔到超慢驅動器

中科院理化所供圖

刺激響應性驅動器是一種將環境變化的能量轉換成機械動能的裝置，用於控制驅使物體進行各種預定動作。其在柔性機器人、感測器、能量轉換等領域展示出廣泛的潛在應用，因而受到了人們的廣泛關注。

在這方面，我們需要向大自然學習——大自然經過數億年的進化，已孕育出許多具有獨特的響應性運動特點的植物或組織。比如，捕蠅草和含羞草在受到觸碰時會快速閉合葉子來捕食昆蟲或躲避捕食者；茅膏菜透過變形包裹住捕捉到的昆蟲以進一步消化；復活草在乾旱條件下蜷縮包裹自己以減少水分損失；跳舞草會隨著音樂舞動等。其實，一些凋亡的植物組織也具有響應性運動的特點，其主要依靠獨特結構和組成實現對環境的響應，如松塔的鱗片、蒲公英的冠毛、豆莢、麥芒、冰葉日中花的種皮等。這些植物原型為人工驅動器的設計和製備提供了靈感和物理模型，是構築新型功能性人工驅動器的有效途徑。

對植物原型的理解是一個較為漫長的過程，且隨研究視角和科技的進步而逐漸深入。松塔是最具代表性的植物原型之一，相關研究也已持續了一個多世紀。過去一個多世紀的研究工作主要集中在松塔的運動機制探索，即為什麼會動，但對松塔的運動過程和特點缺乏關注。其實，松子需要在較長期的乾燥環境中才可以被傳播到遠離母樹的地方進行繁衍，因此松塔鱗片運動的速度是很慢的，以確保在其恰當的時機張開。松塔的這種溼度響應的運動機制一直被歸因於鱗片外層的“肉”（石細胞）和內層的“筋”（維管束）上奈米纖維排列方向差異造成的吸溼膨脹差異，但目前的機制並不能解釋其運動特點，並且無法解釋其內層維管束能夠獨立運動的原因。松塔的超慢溼度響應機制目前仍然是不清楚的，探究其背後的機理將會為構建新型超慢運動驅動器提供新的思路。

帶著這些疑問，科研人員重新審視了松塔的吸溼運動，對其運動過程和微觀結構進行深入詳細地觀察，並對其機理進行了細緻研究，最終揭示了松塔超慢運動的原理，完善了對松塔運動的傳統認知。

研究發現，相比於其他運動型植物組織，松塔鱗片展示出最慢的運動速度，且保持大的形變數。將鱗片解剖後分別觀察發現，內層的維管束具有快的運動速度和大的形變數，而外層的石細胞組織吸水量大、保水性好、運動速度慢且形變數小。對比得出，松塔鱗片的慢速運動是由維管束驅動的，而保水性好的石細胞組織減緩其運動。

透過對維管束的微觀結構進一步觀察發現，維管束是由平行排列的彈簧狀微管和方形微管組成。這兩種微管構成了典型的異質結構，其中，彈簧狀微管聚集在鱗片外側方向，方形微管分佈在鱗片內側方向。原位動態分析顯示，彈簧狀微管展示出更明顯的吸溼伸長行為，使得在環境溼度升高時維管束向方形微管一側彎曲。

受此啟發，研究人員利用雙組份3D列印技術製備了由彈簧狀管和方形管構成的異質結構的基本單元，並在管中填充吸溼聚合物，以模仿鱗片中的“肉”來增大吸溼路徑，成功製備了具有類似松塔吸溼運動的超慢運動的人工驅動裝置，其運動速度比已報道的溼度響應驅動器低兩個數量級，整個運動過程難以察覺。這種具有極慢動作的驅動裝置有可能為偽裝和偵察裝置的構建提供新的思路。

向大自然學習是人類文明進步的重要途徑，在大自然中有所發現，在認知過程中有所發明，在應用中有所創造，我們才能有所進步。

（作者：楊曼，系中國科學院理化技術研究所博士後）

（光明日報）