通過呈現(xiàn)手性螺旋形貌的旱地植物，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(duì)揭示了生命手性的秘密,并且根據(jù)其原理成功構(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(yùn)方面具有應(yīng)用潛力。
Science創(chuàng)刊125周年提出了125個(gè)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(zhǎng)形貌各異的荷葉，近年來，徐凡團(tuán)隊(duì)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(zhǎng)、萎縮、手性、曲率與褶皺等形貌力學(xué)的基本科學(xué)問題。
4月21日，團(tuán)隊(duì)的相關(guān)研究論文以封面文章形式發(fā)表在《自然·計(jì)算科學(xué)》（Nature Computational Science）雜志上，并被選為“研究簡(jiǎn)報(bào)”（Research Briefing）專題報(bào)道。
突破學(xué)科界限，從力學(xué)視角解密葉片手性螺旋形貌
徐凡的研究源于生活。2023年，他在新疆旅游的他觀察到路邊的旱地植物，對(duì)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(qǐng)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。
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。
法國(guó)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(duì)希望探究的，正是生命結(jié)構(gòu)形貌中力的基本作用。
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(yùn)動(dòng)活躍的沙漠嚴(yán)酷環(huán)境中存活。
為了驗(yàn)證猜想，徐凡團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)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(shì)。
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(shí)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(shí)現(xiàn)理想的集水和抗風(fēng)能力？
“盡管不是如大腦一樣高級(jí)的智能，但一個(gè)小小的細(xì)胞也具有智能，能夠?qū)毫Α⑺?、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(gè)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(gè)高級(jí)的復(fù)雜智能體系。
在被加熱時(shí)，LCE棒狀分子的排列取向會(huì)發(fā)生變化，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(chǎng)上排隊(duì)，學(xué)生排成一列和自由活動(dòng)時(shí)，形成的隊(duì)伍形態(tài)和序構(gòu)是不一樣的。
經(jīng)過一系列精密推理計(jì)算，團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果相符。
團(tuán)隊(duì)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(shí)，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(zhǎng)度和寬度方向時(shí)，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(shí)發(fā)生。
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(shí)需要做出不同的菜?！睂?shí)驗(yàn)表明，手性扭轉(zhuǎn)構(gòu)形的葉片的水分縱向輸運(yùn)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(shí)現(xiàn)高效抗風(fēng)集水
在此研究成果基礎(chǔ)上，徐凡團(tuán)隊(duì)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(shí)，葉片表面溫度降低，就會(huì)自發(fā)解旋，防止過度集水。
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(yùn)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(duì)將探究不同環(huán)境、不同材料對(duì)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(shí)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(yùn)含著其他更豐富的生命功能奧秘。
研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、上海市基礎(chǔ)研究特區(qū)計(jì)劃、上海市教委等資助。
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