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中科院理化所王树涛教授团队/北航刘欢教授团队:仿松塔超慢运动

发布时间:2022-11-29      点击次数:180
大自然为人类社会的进步和发展提供了源源不断的灵感和动力。向自然学习,有所发现,有所发明,有所创造,有所进步,是科学发展的一条行之有效的途径。



松塔的吸湿运动为人工驱动器的设计和制造提供了许多灵感。目前认为,松塔的开合是由鳞片外层的“肉"(石细胞,sclerids)比内层的“筋"(维管束,vascular bundle)的收缩膨胀更大引起的。但以往的研究只专注于研究松塔的弯曲机制,而忽略了弯曲过程和原本的功能特点。松塔为了让风和动物把种子传播到远离母树的地方繁衍,只有在长期干燥的环境下才会打开。对于松塔的超慢运动,目前的机理还无法给出相应的解释,并且这一机制也很难解释单独的维管束也具有湿度响应特征。因此,松塔的超慢湿度响应机制目前仍然是不清楚的。

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最近,中国科学院理化技术研究所王树涛研究员团队和北京航空航天大学刘欢教授团队合作,重新审视松塔的吸湿运动,揭示了松塔湿度响应的超慢运动的奥秘,并受此启发研发了具有类松塔湿度响应的超慢运动的人工驱动装置,其运动速度比现有的湿度响应驱动器低两个数量级,其整个运动过程难以察觉。相关工作以“Unperceivable motion mimicking hygroscopic geometric reshaping of pine cones"为题发表在Nature Materials杂志上。该工作得到了国家自然科学基金项目的大力支持。文章第一作者是张飞龙博士杨曼博士,通讯作者为王树涛研究员刘欢教授徐雪涛刘熹博士共同参与本研究,江雷院士为本研究提供了专业的指导。

现象与发现

1.松塔的吸湿变形是一个超慢的过程
松塔完.全打开需要相当长的时间,约24小时(图1a)。在具有吸湿变形能力的植物组织中,松塔鳞片的厚度归一化的形变速度是最小的(图1b),这与其长距离种子传播的功能是一致的。

2.维管束本身也能够吸湿变形
研究发现,维管束(VB)本身就可以吸湿变形,且具有比外层的“肉"(skin)更大的变形能力和运动速度(图1c, d),表明VB在鳞片的湿度响应运动中起关键作用。而“肉"和整个鳞片的运动速度都远低于骨架(skeletons)和VBs。同样,与骨架和VBs相比,浸水的鳞片和“肉"的含水量更高,脱水速度更慢。

因此,可以得出结论,VBs驱动鳞片的吸湿变形,而保水性好的“肉"减缓形变速度。

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图1. 松塔、鳞片及其各组成部分的吸湿运动。

维管束(VB)的变形机制

1.弹簧状微管和方形微管的异质结构
为了探究VBs的弯曲机理,作者对VB的微观结构及各组成的吸湿膨胀行为进行了研究。从横断面扫描电镜图可以看出,VB具有典型的异质结构,包含两种管状的细胞壁,且两者边界清晰(图2a-d)。重构的微管三维结构图和纵向截面图进一步证实了,维管束是由平行排列的弹簧状微管和方形微管组成的典型的异质结构 (图2 e-g)。

2.弹簧状微管和方形微管的吸湿膨胀行为不同
通过机械剥离的方法,作者得到了弹簧状微管/方形微管对,并利用环境扫描电镜(ESEM)对其吸湿运动进行了原位观察(图2h)。随着相对湿度的增加,弹簧状微管伸长,微管对向方形微管侧弯曲(图3c)。相反,随着湿度的降低,微管对向弹簧状微管侧弯曲。根据上述结果,作者提出了一维弹簧状微管/方形微管异质结构的简化模型以解释VB的吸湿形变(图2i)。

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图2. 维管束的异质结构和弯曲机制

仿松塔的超慢运动驱动器

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,在管中填充吸湿聚合物,以模拟鳞片中的“肉"增加吸湿路径,降低膨胀速度 (图3a, b)。打印出的弹簧状管/方形管展现出类似于松塔的吸湿变形性能(图3c)。利用简化模型与3d打印技术的可编辑性和兼容性,仅通过调节结构就可以实现各种精细的形状转变调控(图3d)。利用打印出的弹簧状管/方形管对,作者制作了一个可移动工作台,实现对上面的物体的超慢运输,不会周围的环境水造成干扰 (图3e-g)。利用打印出的弹簧状管/方形管对作为支架,探测器也可以在超慢运动的情况下增大监测范围(图3h)。

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图3. 仿松塔结构的超慢驱动装置

该工作为理解松塔和其他植物组织的湿度响应形变提供了新的思路和结构基础,也为开发刺激响应驱动器提供了新的物理模型。

该工作被新加坡国立大学(NUS)的Cecilia Laschi教授和意大利理工学院(IIT)的Barbara Mazzolai教授在《Nature Materials》杂志同期的News & Views专栏以“Move imperceptibly"为题,进行了专题报道。

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原文链接:https://doi.org/10.1038/s41563-022-01391-2
来源:材料科学前沿