仿松塔人工驱动器登上Nature Materials！

一、【导读】

刺激响应变形是许多自然生物重要的种子传播策略，阐明其潜在机制对于设计刺激响应材料至关重要。松果是一种典型的具有吸湿变形特性的自然生物，可以作为构建人工驱动器的仿生模型。具体地，松塔能够进行湿度响应几何重塑，其鳞片在干燥环境中张开，在潮湿环境中闭合，这有利于风和动物将种子从母树上远距离传播。然而，尚未注意到松塔的湿度响应是一个超慢的过程，其速度（通过厚度标准化）远低于其他湿度响应植物组织，如小麦芒和种子囊。值得注意的是，这种超慢运动也以较大幅度稳定地进行。

二、【成果掠影】

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揭示了松塔湿度响应的超慢运动的奥秘。具体地，具有独特平行排列的弹簧状微管和方形微管异质结构的维管束（VBs）主导湿度响应作用。弹簧状微管聚集在维管束外侧方向，方形微管分布在维管束内侧方向，在吸湿后，弹簧状微管展示出更大程度的膨胀，使得在高湿度条件下维管束向方形微管方向弯曲，从而驱动松塔的鳞片移动。受此启发，研究人员利用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”，制备了具有类松塔湿度响应的超慢运动的人工驱动装置，实现可控但不可察觉的运动，其运动速度几乎比报道的同类驱动器低两个数量级，为具有超慢动作的驱动装置或可应用于伪装和侦察设备的构建提供思路。该论文以题为“Unperceivable motion mimicking hygroscopic geometric reshaping of pine cones”发表在知名期刊Nature Materials上。

三、【核心创新点】

研究人员揭示了松塔湿度响应的超慢运动的奥秘，并在启发下研发了具有类松塔湿度响应的超慢运动的人工驱动装置。

四、【数据概览】

图一、松果的湿度响应及其结构 © 2022 Springer Nature

（a）浸水松果的打开过程。

（b）各种吸湿性植物组织的变形速度和能力对比。

（c）样品的前视图和侧视图的光学图像。

（d）鳞片及其组成部分的湿度响应可逆弯曲。

（e）鳞片及其组成部分的变形能力及运动速度。

图二、单个VB的微观结构 © 2022 Springer Nature

（a）单个VB的光学照片。

（b）VB横截面SEM图像显示其组成是中空微管的集合体。

（c-d）放大后的SEM图像显示，圆形和矩形微管的内壁呈弹簧状且光滑，分别定义为弹簧状微管和方形微管。

（e）从XCT获得的弹簧状微管（标有○）和方形微管（标有□）。

（f-h）弹簧状和方形微管的内部形态。

（i-j）弹簧状和方形微管的代表性应力-应变曲线和计算的抗拉刚度。

图三、VB可逆吸湿几何重塑的机制 © 2022 Springer Nature

（a-c）弹簧状微管、方形微管和弹簧状/方形微管束在低-高-低湿度下的ESEM图像。

（d）从ESEM获得的弹簧状和方形微管沿其长轴和短轴的吸湿膨胀率。

（e）干燥（RH = 23%）和湿状态条件下弹簧微管纵向截面的原位XCT图像。

（f）简化的一维异质结构弹簧状/方形微管模型的吸湿几何重塑机制示意图。

（g-h）在不同方向的应力场中，弹簧状/方形微管束的数值模拟。

图四、3D打印模拟VB结构的人工驱动器 © 2022 Springer Nature

（a-b）VB模拟弹簧状/方形管对的顶视图和侧视图的示意图和光学图像。

（c-d）3D打印弹簧状和方形管的杨氏模量和纵向吸湿膨胀率。

（e）3D打印的管对在潮湿状态下弯曲，在干燥状态下恢复笔直，而对照样品没有变化。

（f）具有不同厚度比h_○/□的管对的光学图像。

（g）理论曲率变化与h_○/□的关系。

（h）理论计算曲率和实验曲率对比。

图五、仿松塔结构的超慢人工驱动器 © 2022 Springer Nature

（a-c）使用弹簧状/方形管对制造的可移动工作台，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。

（d）在桌子移动过程中，球在桌子上的相对位移（实心圆）和悬挂球在水平（顶部）和垂直（底部）方向上的位移（空心圆）。

（e）文献中仿生人工驱动器的运动速度（BL s^-1）与体长（BL）的关系。

（f）对监测范围大大增加的不可察觉的移动探测器的概念证明。

五、【成果启示】

综述所述，作者解释了松塔的吸湿性几何变形机制：由异质结构的弹簧状/方形构成VBs，随着环境湿度的变化，背侧的弹簧微管沿长轴的变形比方形微管大，弹簧结构赋予微管对稳定运动的良好环境适应性，并主导松果鳞片的闭合和打开。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。本研究为理解常见的松塔吸湿变形提供了深刻的见解，同时也为开发刺激响应驱动器提供了深入的见解。

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