曾译萱 科技日报记者 王春
近日，复旦大学研究团队在《自然·计算科学》杂志以封面文章形式发表研究论文，在具身智能力学领域获得了高水平成果。复旦大学智能机器人与先进制造创新学院/航空航天系徐凡教授团队，这次将目光投向了一种呈现手性螺旋扭转形貌的旱地植物。
《科学》杂志创刊125周年提出了125个重要科学问题，其中之一就是“为什么生命需要手性？”从失水萎缩后表面形成手性螺旋形貌的百香果，到受水面浮力影响而生长形貌各异的荷叶，近年来，徐凡团队聚焦软物质形貌力学研究，旨在揭示自然界中各种生长、萎缩、手性、曲率与褶皱等形貌力学的基本科学问题。
这次新突破中，他们首次揭示手性螺旋扭转结构在水分收集与抗风性能中的双效机制，构建力学理论模型预测并指导3D打印活性液晶弹性体基元，成功构建了具有环境智适应特性的仿生具身智能植株。这一智能植株无须外部能源或芯片控制，可像生命体般智能感知环境变化，自发调整形貌以优化功能，在自适应液滴收集和定向输运方面具有应用潜力。
徐凡团队根据在电镜下观察到的螺旋金钗木具有双层叶片结构，通过3D打印液晶弹性材料（LCE）仿生制备叶片双层结构，并比较仿生手性螺旋扭转叶片植株与平直叶片植株的集水与抗风效率。实验发现，与平直叶片相比，手性螺旋扭转叶片在雨水收集和抵抗强风方面均具有显著优势。
然而，新的问题接踵而至——如何调控仿生植株的手性螺旋扭转形貌，使其实现理想的集水和抗风能力？
经过一系列精密推理计算，团队发现双层结构变形结果取决于两层材料之间的指向矢角度差异，即LCE分子的整体取向，并成功构建了LCE双层条带弯曲、扭转和螺旋形貌形成的力学理论模型，与仿生实验和数值计算结果相符。
只需根据形貌演化相图调控LCE双层条带之间的指向矢角度，就能获得想要的变形结果。徐凡说：“相当于我们整理了一套菜谱，可以根据现实需要做出不同的菜。”实验表明，手性扭转构形的叶片的水分纵向输运路线最接近直线，且不易弯折，因此集水效率最高，在强风等极端环境下较平直叶片的集水效率提升了一倍。
在此研究成果基础上，徐凡团队成功构建了具有环境智适应特性的仿生具身智能植株——可根据环境刺激自发调控形貌。在光照下升温后，仿生植株叶片将形成手性螺旋扭转形貌，能够提升抗倒伏能力。到了下雨天，雨水沿着曲率叶片表面输送到根部，当收集的水分足够多时，叶片表面温度降低，就会自发解旋，防止过度集水。
具有环境智适应特性的仿生植株在自适应液滴收集和定向输运方面具有应用潜力，有望为干旱地区的土壤改善和智能农业提供新的思路和解决方案。下一步，团队将探究不同环境、不同材料对仿生具身智能植株的集水和抗风能力的影响，尝试增加光能收集功能，同步实现物质收集与能源收集。也许，在螺旋金钗木完美的手性螺旋形态背后，可能还蕴含着其他更丰富的内容。
