在自然界中，為了釋放種子并確保物種生存，松果盡管已經死亡，但可以打開緊閉的果殼，釋放它們的珍寶——種子。所有這些都是在沒有肌肉、關節或大腦的情況下發生的。與其他植物運動一樣，環境也起著作用。響應環境濕度的變形可以保護種子，直到正確的環境條件使它們發芽。吸濕機制使松果打開，這在該領域是眾所周知的。圖|松果的典型緩慢吸濕幾何重塑及其鱗片、表皮、骨架和VB的層次組成部分近日，中科院理化技術研究所王樹濤、北京航天航空大學劉歡等人展示了維管束（VB）中彈簧狀和方形微管結構之間有趣的相互作用，隨著濕度的變化，驅動松果的超慢運動。受這種機制的啟發，他們開發了能夠以前所未有的效率在不知不覺中移動的軟執行器。成果發表在Nature Materials 上。研究人員分析了浸水松果（Pinus elliottii）鱗片維管束的微觀結構，發現在微米尺度上，彈簧狀和方形微管元件的獨特平行排列，使其具有吸濕性。彈簧形管允許均勻的水分散，并且比方形管變形更大。當耦合時，彈簧形管的一側相對于方形管的另一側的較大變形產生整個結構的彎曲。彎曲是用軟材料制造的機器人的基本運動之一。它可以通過多種技術來實現。當使用流體驅動時，軟材料腔室被流體加壓，并且可以應用多種策略將腔室的自然膨脹轉化為彎曲。其中一種策略是將可變形室與不易變形的材料相結合。研究人員對松果管狀結構的研究結果與致動器的設計有關。通過模仿彈簧形和方形管狀結構的耦合布置，他們設計了一種致動器，該致動器可以實現與松果鱗片的打開角度相當的彎曲角度。他們的 3D 打印彈簧形柱和方形柱的楊氏模量和膨脹率有很大不同（彈簧形柱幾乎為 15%，而方形柱的膨脹可忽略不計）。此外，作者還用吸濕性聚合物填充管子以模擬鱗片中的皮膚，這增加了水的擴散路徑并降低了整體膨脹速度。因此，致動器與松果鱗片一樣慢，并且對由環境濕度驅動的環境刺激也有類似的響應，該制動器的運動速度幾乎比現有的同類致動器低兩個數量級，從而使得所開發的軟致動器非常適用于偽裝和偵察等方面。研究人員提出的致動器實施方案很好地展示了如何通過構建一個人工的、受生物啟發的裝置來解釋生物現象，盡管它還不是一個可用于機器人或其他領域的模型知情設計。低速是該研究的一個重要因素，這項工作基于生物物理機制，并表明它可以轉化為工程，盡管目前可能的應用范圍有限，因為具有快速運動的致動器大多正在探索中。總的來說，該研究為揭示生物的工程和機器人原理提供了重要貢獻，基于生物學原理設計的機器人可以用于驗證與模型相同的生物系統的假設，并為生物研究提出新的科學問題。因此，最終目標是改善基礎科學和應用研究。值得注意的是，該研究再次表明，不僅動物，植物也是機器人的優秀模型，反過來，類似植物的機器人使工具能夠量化與植物組織-環境相互作用相關的現象。植物的運動與動物的運動不同，植物幾乎總是緩慢但有效、高效且對刺激反應靈敏。它們將是未來可持續機器人靈感的金礦。Zhang, F., Yang, M., Xu, X. et al. Unperceivable motion mimicking hygroscopic geometric reshaping of pine cones. Nat. Mater. (2022).https://doi.org/10.1038/s41563-022-01391-2
