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    科研进展

    理化所与北航合作揭示松塔湿度响应的超慢运动机制

    稿件来源: 发布时间:2022-11-11

      响应性驱动器因其在柔性机器人、传感器、能量转换等领域的潜在应用受到了人们的广泛关注。而自然界中许多植物或组织已展示出多种形式的外场响应性运动,这为人工驱动器的设计和制备提供了诸多灵感和物理模型,是构筑功能性人工驱动器的有效途径。对植物原型的理解是一个较为漫长的过程,且随研究视角、手段和技术的进步而逐渐深入。松塔是其中最具代表性的植物原型之一,相关研究也已持续了一个多世纪。 

      松塔的鳞片在干燥环境中张开,在潮湿环境中闭合(图1a)。由于这一独特的湿度响应特征,松塔为人工驱动器的设计和制备提供了灵感和思路。然而,很少有人注意到松塔的湿度响应运动是超慢的。长期以来,松塔的这种湿度响应的运动机制一直被归因于鳞片外层的“肉”(石细胞,sclerids)和内层的“筋”(维管束,vascular bundle)上纳米纤维排列方向不同造成的吸湿膨胀差异,然而这一机制很难解释单独的维管束也具有湿度响应特征。因此,松塔的超慢湿度响应机制目前仍然是不清楚的。 

      最近,中科院理化所王树涛研究员团队和北京航空航天大学刘欢教授团队合作,揭示了松塔湿度响应的超慢运动的奥秘。研究发现,松塔鳞片运动由维管束驱动,而保水性好的石细胞组织减缓了其运动速度(图1a-c)。其中,维管束是由平行排列的弹簧状微管和方形微管组成的典型的异质结构。如图1d,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。原位动态分析显示,弹簧状微管展示出更大程度的吸湿膨胀,使得在高湿度条件下维管束向方形微管方向弯曲(图1e-f)。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”,成功制备了具有类松塔湿度响应的超慢运动的人工驱动装置,其运动速度相比于现有的湿度响应驱动器低两个数量级,几乎不会影响周围环境,整个运动过程难以察觉(图2)。

       

    图1 松塔鳞片的湿度响应可逆张合是超慢的。(a-c)鳞片及其组成部分的运动行为;(d)维管束的典型的异质结构:平行排列的弹簧状微管和方形微管;(e-f)维管束的湿度响应形变机制 

       

    图2 仿松塔结构的超慢驱动装置 

      相关工作以Unperceivable motion mimicking hygroscopic geometric reshaping of pine cones为题发表在Nature Materials期刊上。该工作为理解松塔和其他植物组织的湿度响应形变提供了新的思路和结构基础,也为开发刺激响应驱动器提供了新的物理模型。这种具有超慢动作的驱动装置有可能应用于伪装和侦察设备的构建。文章第一作者是张飞龙博士和杨曼博士,通讯作者为中科院理化所王树涛研究员和北京航空航天大学刘欢教授,徐雪涛和刘熹博士共同参与本研究,中科院理化所江雷院士为本研究提供了专业的指导。 

      该工作得到了国家自然科学基金项目的大力支持。 

      该工作也被新加坡国立大学(NUS)的Cecilia Laschi教授和意大利理工学院(IIT)的Barbara Mazzolai教授在Nature Materials杂志同期的News & Views专栏以Move imperceptibly为题,进行了专题报道。 

      原文链接:https://www.nature.com/articles/s41563-022-01391-2 

      报道链接:https://www.nature.com/articles/s41563-022-01411-1 

     

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