復(fù)旦大學(xué)智能機(jī)器人與先進(jìn)制造創(chuàng)新學(xué)院/航空航天系徐凡教授團(tuán)隊，這次將目光投向了一種呈現(xiàn)手性螺旋扭轉(zhuǎn)形貌的旱地植物。
Science創(chuàng)刊125周年提出了的125個重要科學(xué)問題，其中之一就是“為什么生命需要手性？”從失水萎縮后表面形成手性螺旋形貌的百香果，到受水面浮力影響而生長形貌各異的荷葉，近年來，徐凡團(tuán)隊聚焦軟物質(zhì)形貌力學(xué)研究，旨在揭示自然界中各種生長、萎縮、手性、曲率與褶皺等形貌力學(xué)的基本科學(xué)問題。
這次新突破中，他們首次揭示了手性螺旋扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)在水分收集與抗風(fēng)性能中的雙效機(jī)制，構(gòu)建力學(xué)理論模型預(yù)測并指導(dǎo)3D打印活性液晶彈性體基元，成功構(gòu)建了具有環(huán)境智適應(yīng)特性的仿生具身智能植株。這一智能植株無需外部能源或芯片控制，可像生命體般智能感知環(huán)境變化，自發(fā)調(diào)整形貌以優(yōu)化功能，在自適應(yīng)液滴收集和定向輸運方面具有應(yīng)用潛力。
北京時間4月21日，團(tuán)隊在《自然·計算科學(xué)》（Nature Computational Science）雜志以封面文章形式發(fā)表了題為“Active twisting for adaptive droplet collection”的研究論文。這是復(fù)旦在具身智能力學(xué)領(lǐng)域的又一高水平成果，也是復(fù)旦在該雜志發(fā)表的第二項封面工作，被選為“研究簡報”（Research Briefing）專題報道。
突破學(xué)科界限，從力學(xué)視角解密葉片手性螺旋形貌
徐凡的研究往往源于生活。2023年，在新疆旅游的他觀察到路邊的旱地植物，對其手性螺旋扭轉(zhuǎn)的葉片形貌產(chǎn)生了興趣。
“不同于普通植物，這些旱地植物的葉片為什么總是像DNA一樣具有手性螺旋構(gòu)形？這一形態(tài)結(jié)構(gòu)是如何形成的？具有怎樣的生命功能？”帶著一連串疑問，徐凡請教了諸位植物學(xué)家并查閱相關(guān)文獻(xiàn)。
他發(fā)現(xiàn)，沙百合、寬葉彈簧草等諸多旱地植物的葉片都呈現(xiàn)出相似的手性螺旋形貌，其中以原產(chǎn)自澳大利亞南部沙漠中的螺旋金釵木最為典型。
旱地植物螺旋金釵木
植物學(xué)主要關(guān)注微觀分子層面，比如基因表達(dá)如何影響后天形貌成形，而從力學(xué)視角，則可以探究宏觀層面中手性螺旋結(jié)構(gòu)形成背后有何生物力學(xué)奧秘?！?0世紀(jì)以來生命科學(xué)的蓬勃發(fā)展，拓寬了力學(xué)學(xué)科的研究疆域。” 法國發(fā)育生物學(xué)家Thomas Lecuit曾說:“只要有形狀的地方，就有力在發(fā)揮作用。”徐凡團(tuán)隊希望探究的，正是生命結(jié)構(gòu)形貌中力的基本作用。
“任何結(jié)構(gòu)都不可能無緣無故出現(xiàn)，一定有其生命功能意義。”徐凡猜想，按照達(dá)爾文自然選擇學(xué)說中的“適者生存”原則，葉片手性螺旋形貌可能能夠提高葉片集水效率和抗風(fēng)能力，有利于旱地植物在干旱缺水、風(fēng)沙運動活躍的沙漠嚴(yán)酷環(huán)境中存活。
植物不會說話。為了驗證猜想，徐凡團(tuán)隊根據(jù)在電鏡下觀察到的螺旋金釵木具有雙層葉片結(jié)構(gòu)，通過3D打印液晶彈性材料（LCE）仿生制備葉片雙層結(jié)構(gòu)，并比較仿生手性螺旋扭轉(zhuǎn)葉片植株與平直葉片植株的集水與抗風(fēng)效率。實驗發(fā)現(xiàn)，與平直葉片相比，手性螺旋扭轉(zhuǎn)葉片在雨水收集和抵抗強(qiáng)風(fēng)方面均具有顯著優(yōu)勢。
利用液晶高彈體(LCE)雙層結(jié)構(gòu)實現(xiàn)各向異性自發(fā)應(yīng)變
雙層結(jié)構(gòu)與手性螺旋扭轉(zhuǎn)形貌之間有什么關(guān)系？無論是植物纖維還是人類皮膚，其細(xì)觀紋理織構(gòu)都具有方向性。液晶彈性雙層結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢就在于，當(dāng)受光或熱激勵時，其微觀分子序構(gòu)變化會引起宏觀各向異性變形，從而引發(fā)手性螺旋扭轉(zhuǎn)形貌。
融合具身智能理念，精準(zhǔn)調(diào)控仿生葉片形貌
猜想初步證實后，新的問題接踵而至：如何調(diào)控仿生植株的手性螺旋扭轉(zhuǎn)形貌，使其實現(xiàn)理想的集水和抗風(fēng)能力？
“盡管不是如大腦一樣高級的智能，但一個小小的細(xì)胞也具有智能，能夠?qū)毫?、水分、溫度、化學(xué)、光照等環(huán)境刺激做出自發(fā)響應(yīng)，這就是具身智能?！毙旆步榻B，與生命體中的細(xì)胞類似，用于仿生的活性LCE材料本身也具有智能。將單個材料基元的具身智能與事物整體的“神經(jīng)中樞”智能結(jié)合起來，就能形成一個高級的復(fù)雜智能體系。
在被加熱時，LCE棒狀分子的排列取向會發(fā)生變化，在宏觀上則體現(xiàn)為LCE在加熱或受光照后自發(fā)變形，LCE雙層結(jié)構(gòu)就產(chǎn)生了彎曲、螺旋和扭轉(zhuǎn)三種情況。就好比在操場上排隊，同學(xué)們排成一列和自由活動時，形成的隊伍形態(tài)和序構(gòu)是不一樣的。
經(jīng)過一系列精密推理計算，團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)雙層結(jié)構(gòu)變形結(jié)果取決于兩層材料之間的指向矢角度差異，即LCE分子的整體取向，并成功構(gòu)建了LCE雙層條帶彎曲、扭轉(zhuǎn)和螺旋形貌形成的力學(xué)理論模型，與仿生實驗和數(shù)值計算結(jié)果相符。
團(tuán)隊繪制的LCE雙層條帶彎曲、扭轉(zhuǎn)和螺旋形貌選擇相圖，揭示了在不同指向矢角度分布下，LCE雙層條帶受熱后產(chǎn)生的變形情況。例如，當(dāng)上下兩層材料指向矢角度之和等于180°時，雙層結(jié)構(gòu)將只發(fā)生手性扭轉(zhuǎn)變形；而當(dāng)上下層指向矢分別沿長度和寬度方向時，將發(fā)生純彎曲變形；其余指向矢分布情況則扭轉(zhuǎn)和彎曲變形同時發(fā)生。
指向矢角度決定雙層LCE變形模態(tài)相圖
只需根據(jù)形貌演化相圖調(diào)控LCE雙層條帶之間的指向矢角度，就能獲得想要的變形結(jié)果。徐凡說：“相當(dāng)于我們整理了一套菜譜，可以根據(jù)現(xiàn)實需要做出不同的菜?！睂嶒灡砻?，手性扭轉(zhuǎn)構(gòu)形的葉片的水分縱向輸運路線最接近直線，且不易彎折，因此集水效率最高，在強(qiáng)風(fēng)等極端環(huán)境下較平直葉片的集水效率提升了一倍。
打造環(huán)境智適應(yīng)仿生植株，實現(xiàn)高效抗風(fēng)集水
在此研究成果基礎(chǔ)上，徐凡團(tuán)隊成功構(gòu)建了具有環(huán)境智適應(yīng)特性的仿生具身智能植株——可根據(jù)環(huán)境刺激自發(fā)調(diào)控形貌。在光照下升溫后，仿生植株葉片將形成手性螺旋扭轉(zhuǎn)形貌，能夠提升抗倒伏能力。到了下雨天，雨水沿著曲率葉片表面輸送到根部，當(dāng)收集的水分足夠多時，葉片表面溫度降低，就會自發(fā)解旋，防止過度集水。
LCE仿生“植物”多場自發(fā)扭轉(zhuǎn)變形
與平直葉片相比，扭轉(zhuǎn)葉片在雨水收集和抵抗強(qiáng)風(fēng)具有顯著優(yōu)勢
可調(diào)控液滴收集
徐凡用“道法自然，但又高于自然”評價這一過程：“我們學(xué)習(xí)自然植物的結(jié)構(gòu)形貌原理，但相較于自然植物生命周期相對固定的生命結(jié)構(gòu)，仿生植物可以在短短幾十秒內(nèi)就實現(xiàn)結(jié)構(gòu)形貌變換?！贝送?，普通葉片被強(qiáng)風(fēng)吹倒后難以恢復(fù)，而剛度強(qiáng)勁的手性螺旋扭轉(zhuǎn)葉片則可以快速恢復(fù)直立狀態(tài)。徐凡團(tuán)隊進(jìn)一步解析了手性螺旋扭轉(zhuǎn)程度與抗彎剛度之間的定量關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著扭轉(zhuǎn)角度增大，條帶抗彎剛度顯著增加。
具有環(huán)境智適應(yīng)特性的仿生植株在自適應(yīng)液滴收集和定向輸運方面具有應(yīng)用潛力，有望為干旱地區(qū)的土壤改善和智能農(nóng)業(yè)提供新的思路和解決方案。下一步，團(tuán)隊將探究不同環(huán)境、不同材料對仿生具身智能植株的集水和抗風(fēng)能力的影響，嘗試增加光能收集功能，同步實現(xiàn)物質(zhì)收集與能源收集。也許，在螺旋金釵木完美的手性螺旋形態(tài)背后，可能還蘊含著其他更豐富的生命功能奧秘。
研究得到國家自然科學(xué)基金委、上海市基礎(chǔ)研究特區(qū)計劃、上海市教委等資助。
