仿松塔人工驅動器登上Nature Materials！

一、【導讀】

刺激響應變形是許多自然生物重要的種子傳播策略，闡明其潛在機制對于設計刺激響應材料至關重要。松果是一種典型的具有吸濕變形特性的自然生物，可以作為構建人工驅動器的仿生模型。具體地，松塔能夠進行濕度響應幾何重塑，其鱗片在干燥環境中張開，在潮濕環境中閉合，這有利于風和動物將種子從母樹上遠距離傳播。然而，尚未注意到松塔的濕度響應是一個超慢的過程，其速度（通過厚度標準化）遠低于其他濕度響應植物組織，如小麥芒和種子囊。值得注意的是，這種超慢運動也以較大幅度穩定地進行。

二、【成果掠影】

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揭示了松塔濕度響應的超慢運動的奧秘。具體地，具有獨特平行排列的彈簧狀微管和方形微管異質結構的維管束（VBs）主導濕度響應作用。彈簧狀微管聚集在維管束外側方向，方形微管分布在維管束內側方向，在吸濕后，彈簧狀微管展示出更大程度的膨脹，使得在高濕度條件下維管束向方形微管方向彎曲，從而驅動松塔的鱗片移動。受此啟發，研究人員利用3D打印技術制備了由彈簧狀管和方形管構成的異質結構的基本單元，在管中填充吸濕聚合物，以模擬鱗片中的“肉”，制備了具有類松塔濕度響應的超慢運動的人工驅動裝置，實現可控但不可察覺的運動，其運動速度幾乎比報道的同類驅動器低兩個數量級，為具有超慢動作的驅動裝置或可應用于偽裝和偵察設備的構建提供思路。該論文以題為“Unperceivable motion mimicking hygroscopic geometric reshaping of pine cones”發表在知名期刊Nature Materials上。

三、【核心創新點】

研究人員揭示了松塔濕度響應的超慢運動的奧秘，并在啟發下研發了具有類松塔濕度響應的超慢運動的人工驅動裝置。

四、【數據概覽】

圖一、松果的濕度響應及其結構 ? 2022 Springer Nature

（a）浸水松果的打開過程。

（b）各種吸濕性植物組織的變形速度和能力對比。

（c）樣品的前視圖和側視圖的光學圖像。

（d）鱗片及其組成部分的濕度響應可逆彎曲。

（e）鱗片及其組成部分的變形能力及運動速度。

圖二、單個VB的微觀結構 ? 2022 Springer Nature

（a）單個VB的光學照片。

（b）VB橫截面SEM圖像顯示其組成是中空微管的集合體。

（c-d）放大后的SEM圖像顯示，圓形和矩形微管的內壁呈彈簧狀且光滑，分別定義為彈簧狀微管和方形微管。

（e）從XCT獲得的彈簧狀微管（標有○）和方形微管（標有□）。

（f-h）彈簧狀和方形微管的內部形態。

（i-j）彈簧狀和方形微管的代表性應力-應變曲線和計算的抗拉剛度。

圖三、VB可逆吸濕幾何重塑的機制 ? 2022 Springer Nature

（a-c）彈簧狀微管、方形微管和彈簧狀/方形微管束在低-高-低濕度下的ESEM圖像。

（d）從ESEM獲得的彈簧狀和方形微管沿其長軸和短軸的吸濕膨脹率。

（e）干燥（RH?=?23%）和濕狀態條件下彈簧微管縱向截面的原位XCT圖像。

（f）簡化的一維異質結構彈簧狀/方形微管模型的吸濕幾何重塑機制示意圖。

（g-h）在不同方向的應力場中，彈簧狀/方形微管束的數值模擬。

圖四、3D打印模擬VB結構的人工驅動器 ? 2022 Springer Nature

（a-b）VB模擬彈簧狀/方形管對的頂視圖和側視圖的示意圖和光學圖像。

（c-d）3D打印彈簧狀和方形管的楊氏模量和縱向吸濕膨脹率。

（e）3D打印的管對在潮濕狀態下彎曲，在干燥狀態下恢復筆直，而對照樣品沒有變化。

（f）具有不同厚度比h_○/□的管對的光學圖像。

（g）理論曲率變化與h_○/□的關系。

（h）理論計算曲率和實驗曲率對比。

圖五、仿松塔結構的超慢人工驅動器 ? 2022 Springer Nature

（a-c）使用彈簧狀/方形管對制造的可移動工作臺，實現對上面的物體的超慢運輸，不會周圍的環境水造成干擾。

（d）在桌子移動過程中，球在桌子上的相對位移（實心圓）和懸掛球在水平（頂部）和垂直（底部）方向上的位移（空心圓）。

（e）文獻中仿生人工驅動器的運動速度（BL?s^-1）與體長（BL）的關系。

（f）對監測范圍大大增加的不可察覺的移動探測器的概念證明。

五、【成果啟示】

綜述所述，作者解釋了松塔的吸濕性幾何變形機制：由異質結構的彈簧狀/方形構成VBs，隨著環境濕度的變化，背側的彈簧微管沿長軸的變形比方形微管大，彈簧結構賦予微管對穩定運動的良好環境適應性，并主導松果鱗片的閉合和打開。受此啟發，研究人員利用雙組份3D打印技術制備了由彈簧狀和方形管構成的異質結構的基本單元，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。本研究為理解常見的松塔吸濕變形提供了深刻的見解，同時也為開發刺激響應驅動器提供了深入的見解。

文獻鏈接：Unperceivable motion mimicking hygroscopic geometric reshaping of pine cones (Nat. Mater. 2022, DOI: 10.1038/s41563-022-01391-2)