在自然界中，为了释放种子并确保物种生存，松果尽管已经死亡，但可以打开紧闭的果壳，释放它们的珍宝——种子。所有这些都是在没有肌肉、关节或大脑的情况下发生的。与其他植物运动一样，环境也起着作用。响应环境湿度的变形可以保护种子，直到正确的环境条件使它们发芽。吸湿机制使松果打开，这在该领域是众所周知的。图|松果的典型缓慢吸湿几何重塑及其鳞片、表皮、骨架和VB的层次组成部分近日，中科院理化技术研究所王树涛、北京航天航空大学刘欢等人展示了维管束（VB）中弹簧状和方形微管结构之间有趣的相互作用，随着湿度的变化，驱动松果的超慢运动。受这种机制的启发，他们开发了能够以前所未有的效率在不知不觉中移动的软执行器。成果发表在Nature Materials 上。研究人员分析了浸水松果（Pinus elliottii）鳞片维管束的微观结构，发现在微米尺度上，弹簧状和方形微管元件的独特平行排列，使其具有吸湿性。弹簧形管允许均匀的水分散，并且比方形管变形更大。当耦合时，弹簧形管的一侧相对于方形管的另一侧的较大变形产生整个结构的弯曲。弯曲是用软材料制造的机器人的基本运动之一。它可以通过多种技术来实现。当使用流体驱动时，软材料腔室被流体加压，并且可以应用多种策略将腔室的自然膨胀转化为弯曲。其中一种策略是将可变形室与不易变形的材料相结合。研究人员对松果管状结构的研究结果与致动器的设计有关。通过模仿弹簧形和方形管状结构的耦合布置，他们设计了一种致动器，该致动器可以实现与松果鳞片的打开角度相当的弯曲角度。他们的 3D 打印弹簧形柱和方形柱的杨氏模量和膨胀率有很大不同（弹簧形柱几乎为 15%，而方形柱的膨胀可忽略不计）。此外，作者还用吸湿性聚合物填充管子以模拟鳞片中的皮肤，这增加了水的扩散路径并降低了整体膨胀速度。因此，致动器与松果鳞片一样慢，并且对由环境湿度驱动的环境刺激也有类似的响应，该制动器的运动速度几乎比现有的同类致动器低两个数量级，从而使得所开发的软致动器非常适用于伪装和侦察等方面。研究人员提出的致动器实施方案很好地展示了如何通过构建一个人工的、受生物启发的装置来解释生物现象，尽管它还不是一个可用于机器人或其他领域的模型知情设计。低速是该研究的一个重要因素，这项工作基于生物物理机制，并表明它可以转化为工程，尽管目前可能的应用范围有限，因为具有快速运动的致动器大多正在探索中。总的来说，该研究为揭示生物的工程和机器人原理提供了重要贡献，基于生物学原理设计的机器人可以用于验证与模型相同的生物系统的假设，并为生物研究提出新的科学问题。因此，最终目标是改善基础科学和应用研究。值得注意的是，该研究再次表明，不仅动物，植物也是机器人的优秀模型，反过来，类似植物的机器人使工具能够量化与植物组织-环境相互作用相关的现象。植物的运动与动物的运动不同，植物几乎总是缓慢但有效、高效且对刺激反应灵敏。它们将是未来可持续机器人灵感的金矿。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
