仿生学设计最新成果

近期，复旦大学研究团队在《自然·计算科学》杂志的封面文章上发布了重要研究成果，该成果在具身智能力学领域取得了显著的进展。该团队由复旦大学的智能机器人与先进制造创新学院及航空航天系的徐凡教授领导，他们此次将关注点放在了一种具有手性螺旋扭转形貌的旱地植物上。

在庆祝Science创刊125周年之际，该杂志列出了125个重要的科学问题，“为什么生命需要手性？”便是其中之一。徐凡团队近年来致力于软物质形貌力学研究，从自然界中寻找答案，包括研究失水萎缩后形成手性螺旋形貌的百香果以及受水面浮力影响而生长出各种形貌的荷叶等。

在这次新的突破中，徐凡教授团队首次揭示了手性螺旋扭转结构在水分收集与抗风性能中的双重机制。他们构建了力学理论模型来预测和指导3D打印活性液晶弹性体基元的形成，并成功创造出了一种具有环境智适应特性的仿生具身智能植株。这种智能植株无需外部能源或芯片控制，能够像生命体一样感知环境变化，自发调整形貌以优化功能，特别是在自适应液滴收集和定向输运方面有着巨大的应用潜力。

徐凡的研究灵感往往来源于日常生活。就在2023年，他在新疆旅游时，被路边具有手性螺旋扭转叶片形貌的旱地植物所吸引。他开始思考这种特殊形态背后的原因，并发现许多旱地植物都呈现出相似的手性螺旋形貌，其中螺旋金钗木是最典型的例子。

徐凡猜想，这种手性螺旋形貌可能有助于提高叶片的集水效率和抗风能力，使旱地植物能够在干旱缺水、风沙运动活跃的沙漠环境中存活。为了验证这一猜想，他的团队进行了大量的实验和研究。他们发现，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表现出显著的优势。

为了进一步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，徐凡团队开始研究活性液晶弹性体（LCE）材料的智能特性。他们发现，当LCE被加热时，其棒状分子的排列取向会发生变化，导致LCE在宏观上自发变形。经过一系列精密推理计算，团队成功构建了LCE双层条带弯曲、扭转和螺旋形貌形成的力学理论模型。

根据这一理论模型，团队可以通过调控LCE双层条带之间的指向矢角度来获得所需的变形结果。徐凡形容这就像根据菜谱做出不同的菜肴。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，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。

基于这一研究成果，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，这种植株能够根据环境刺激自发调整形貌。在光照下升温后，其叶片会形成手性螺旋扭转形貌，提升抗倒伏能力。在雨水天气中，雨水可以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，仿生植株会自发解旋，防止过度集水。

这种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广泛的应用潜力，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。接下来，该团队计划进一步研究不同环境和材料对仿生具身智能植株的集水和抗风能力的影响，并尝试增加光能收集功能，实现物质收集与能源收集同步进行。他们相信，在螺旋金钗木完美的手性螺旋形态背后，可能还蕴更多未知的秘密等待着他们去探索和发现。