旱地植物呈现出手性螺旋形貌。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揭示了生命手性的秘密。该团队根据此原理成功构建了仿生具身智能植株。这种植株具有环境智适应特性。
这一智能植株不需要外部能源。它也不需要芯片控制。它能够像生命体一样智能地感知环境变化。它会自发调整形貌来优化功能。它在自适应液滴收集和定向输运方面有应用潜力。
《科学》创刊125周年时提出了125个重要科学问题。其中一个问题是“为什么生命需要手性？”近年来，徐凡团队聚焦软物质形貌力学研究。目的是揭示自然界中各种形貌力学的基本科学问题。比如失水萎缩后表面形成手性螺旋形貌的百香果。还有受水面浮力影响而生长形貌各异的荷叶。涉及生长、萎缩、手性、曲率与褶皱等方面。
4月21日 团队的相关研究论文发表于《自然·计算科学》杂志 是以封面文章形式呈现的 且该论文被选为“研究简报”专题予以报道
突破学科界限，从力学视角解密叶片手性螺旋形貌
徐凡开展研究的源头是生活。2023年时，他正在新疆旅游。那时他留意到路边的旱地植物。他对手性螺旋扭转的叶片形貌产生了兴趣。
这些旱地植物的叶片，总是呈现像DNA一样的手性螺旋构形，这与普通植物不同。它是如何形成这种形态结构的？又具有怎样的生命功能？带着这一连串疑问，徐凡向诸位植物学家请教，还查阅了相关文献。
他发觉。沙百合、宽叶弹簧草等许多旱地植物的叶片。都展现出类似的手性螺旋形貌。其中原产自澳大利亚南部沙漠的螺旋金钗木最为典型。
旱地植物螺旋金钗木
植物学主要聚焦微观分子层面。比如基因表达怎样对后天形貌成形产生影响。从力学视角来看。能够探究宏观层面中手性螺旋结构形成背后存在着怎样的生物力学奥秘。
法国发育生物学家Thomas Lecuit曾讲过：“只要存在形状之处，便有力在产生作用。”徐凡团队期望探索的，恰恰是生命结构形貌里力的根本作用
徐凡推测，依据达尔文自然选择学说里的“适者生存”准则，叶片手性螺旋形貌或许能提升叶片集水效率。还可能增强抗风能力，这对旱地植物在沙漠严酷环境中存活有利。沙漠环境干旱缺水且风沙运动活跃
为验证猜想，徐凡团队依据电镜下观察到的螺旋金钗木双层叶片结构，借助3D打印液晶弹性材料仿生制备叶片双层结构。同时比较仿生手性螺旋扭转叶片植株和平直叶片植株的集水与抗风效率。实验发现，手性螺旋扭转叶片在雨水收集方面比平直叶片有显著优势。且在抵抗强风方面，手性螺旋扭转叶片也比平直叶片有显著优势。
融合具身智能理念，精准调控仿生叶片形貌
猜想初步被证实时，新问题接连出现。问题是：怎样调控仿生植株的手性螺旋扭转形貌。目的是：让其达成理想的集水和抗风能力。
徐凡介绍 具身智能是 尽管不是像大脑那样高级的智能 但小小的细胞也有智能 能对压力 水分 温度 化学 光照等环境刺激做出自发响应 用于仿生的活性LCE材料 本身也具有智能 与生命体中的细胞类似把单个材料基元的具身智能予以结合。再把事物整体的“神经中枢”智能进行结合。如此便能形成一个高级的复杂智能体系。
LCE棒状分子被加热时。其排列取向会发生变化。LCE双层结构会产生弯曲情况。还会产生螺旋情况。也会产生扭转情况。这就如同在操场上排队。学生排成一列时。形成的队伍形态和序构。与自由活动时不一样。
团队进行了一系列精密推理计算。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。这一差异也就是LCE分子的整体取向。团队成功构建了力学理论模型。该模型针对LCE双层条带弯曲、扭转和螺旋形貌形成。其与仿生实验和数值计算结果相符
利用液晶高弹体（LCE）双层结构实现各向异性自发应变
团队绘制了LCE双层条带弯曲、扭转和螺旋形貌选择相图。此相图揭示了变形情况。该变形情况是在不同指向矢角度分布下，LCE双层条带受热后产生的当上下两层材料指向矢角度之和为180°时，双层结构仅会发生手性扭转变形。当上下层指向矢分别沿长度与宽度方向时，会发生纯弯曲变形。其余指向矢分布情形下，扭转和弯曲变形会同时出现。
只需依据形貌演化相图调控LCE双层条带间的指向矢角度，便能得到想要的变形结果。徐凡称：“这就好比我们整理出了一套菜谱，能够依照现实需求做出不同的菜肴。”实验显示，手性扭转构形的叶片的水分纵向输运路线最接近直线，并且不容易弯折，所以集水效率最高，在强风等极端环境下比平直叶片的集水效率提高了一倍。
打造环境智适应仿生植株，实现高效抗风集水
基于此研究成果 徐凡团队成功构建仿生具身智能植株 其具有环境智适应特性 可根据环境刺激自发调控形貌 在光照升温后 仿生植株叶片会形成手性螺旋扭转形貌 能提升抗倒伏能力 下雨天时 雨水沿曲率叶片表面输送至根部 当收集水分足够多 叶片表面温度降低 就会自发解旋 防止过度集水
LCE仿生“植物”多场自发扭转变形
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有应用潜力。有望为干旱地区土壤改善和智能农业提供新思路与解决方案。下一步团队会探究不同环境对仿生具身智能植株集水能力的影响。还会探究不同材料对其集水能力的影响。也会探究不同环境对其抗风能力的影响。会尝试增加光能收集功能。要同步实现物质收集与能源收集。也许 螺旋金钗木有着完美的手性螺旋形态 其背后或许还蕴含着其他奥秘 是更丰富的生命功能方面的奥秘
可调控液滴收集
该研究获得了国家自然科学基金委的资助。还得到了上海市基础研究特区计划的支持。同时也受到了上海市教委等方面的资助。
