旱地植物螺旋金釵木。受訪者供圖
■本報(bào)見習(xí)記者 江慶齡
為什么生命需要手性？
這是《科學(xué)》在創(chuàng)刊125周年時(shí)，提出的125個(gè)重要科學(xué)問題之一。
近年來，復(fù)旦大學(xué)教授徐凡團(tuán)隊(duì)聚焦“手性”這個(gè)議題，做了一系列有趣的研究——從失水萎縮后表面形成手性螺旋形貌的百香果，到受水面浮力影響而生長形貌各異的荷葉，自然界中隱藏著各種生長、萎縮、手性、曲率與褶皺等形貌力學(xué)的基本科學(xué)問題。
近日，徐凡團(tuán)隊(duì)又有了新進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)首次揭示了手性螺旋扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)在水分收集與抗風(fēng)性能中的雙效機(jī)制，并構(gòu)建了具有環(huán)境智適應(yīng)特性的仿生具身智能植株。該植株無需外部能源或芯片控制，便可像生命體般智能感知環(huán)境變化，自發(fā)調(diào)整形貌以優(yōu)化功能，在自適應(yīng)液滴收集和定向輸運(yùn)方面具有應(yīng)用潛力。相關(guān)研究以封面文章形式發(fā)表于《自然-計(jì)算科學(xué)》，并被選為“研究簡(jiǎn)報(bào)”作專題報(bào)道。
在旅游時(shí)獲得靈感
2023年，徐凡在新疆旅游時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)路邊植物的葉片形狀非常特殊，就像DNA一樣，呈現(xiàn)出手性螺旋扭轉(zhuǎn)的構(gòu)形。這一形態(tài)結(jié)構(gòu)是如何形成的，具有怎樣的生命功能？帶著疑問，徐凡開始了探索。
通過請(qǐng)教植物學(xué)領(lǐng)域的學(xué)者以及調(diào)研文獻(xiàn)，徐凡了解到，沙百合、寬葉彈簧草等很多旱地植物的葉片都呈現(xiàn)出相似的手性螺旋形貌，其中以原產(chǎn)自澳大利亞南部沙漠中的螺旋金釵木最為典型。
“盡管不是和大腦一樣具有高級(jí)的智能，但一個(gè)小小的細(xì)胞也具有智能，能夠?qū)毫Α⑺帧囟取⒒瘜W(xué)、光照等環(huán)境刺激作出自發(fā)響應(yīng)，這就是具身智能。”徐凡猜想，葉片的手性螺旋形貌也許能提高葉片的集水效率和抗風(fēng)能力，有利于旱地植物在干旱缺水、風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)活躍的沙漠嚴(yán)酷環(huán)境中存活。
為了驗(yàn)證這一猜想，徐凡團(tuán)隊(duì)利用3D打印技術(shù)，將液晶彈性材料（LCE）打印成仿生的葉片雙層結(jié)構(gòu)，并比較了仿生手性螺旋扭轉(zhuǎn)葉片植株與平直葉片植株的集水與抗風(fēng)效率。結(jié)果顯示，相比平直葉片，手性螺旋扭轉(zhuǎn)葉片在雨水收集和抵抗強(qiáng)風(fēng)方面均具有顯著優(yōu)勢(shì)。
值得一提的是，用于仿生的活性LCE也具有“智能”——當(dāng)被加熱或受到光照時(shí)，LCE棒狀分子的排列取向會(huì)發(fā)生變化。由此，LCE的雙層結(jié)構(gòu)就會(huì)產(chǎn)生自發(fā)的彎曲、螺旋和扭轉(zhuǎn)。
這一獨(dú)特特性使團(tuán)隊(duì)可以進(jìn)一步利用LCE“耍花槍”。
打造高效抗風(fēng)集水的智適應(yīng)仿生植株
“我們整理了一套‘菜譜’，可以根據(jù)現(xiàn)實(shí)需要做出不同的菜。”徐凡表示。
徐凡團(tuán)隊(duì)首先從理論上摸清了LCE分子的“底細(xì)”。經(jīng)過一系列精密推理計(jì)算，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)雙層結(jié)構(gòu)變形的結(jié)果取決于兩層材料之間的指向矢角度差異，即LCE分子的整體取向。
據(jù)此，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步構(gòu)建了LCE雙層條帶彎曲、扭轉(zhuǎn)和螺旋形貌形成的力學(xué)理論模型，能夠直觀展現(xiàn)不同指向矢角度分布下LCE雙層條帶受熱后產(chǎn)生的變形情況。換言之，只要根據(jù)形貌演化相圖調(diào)控LCE雙層條帶之間的指向矢角度，就能獲得想要的變形結(jié)果。
值得一提的是，手性螺旋扭轉(zhuǎn)構(gòu)形的葉片，其水分縱向輸運(yùn)路線最接近直線，且不易彎折，因此集水效率最高。在強(qiáng)風(fēng)等極端環(huán)境下，該形態(tài)葉片比平直葉片的集水效率高出一倍。
在此基礎(chǔ)上，徐凡團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了具有環(huán)境智適應(yīng)特性的仿生具身智能植株，可根據(jù)環(huán)境刺激自發(fā)調(diào)控形貌。光照升溫時(shí)，仿生植株葉片可形成手性螺旋扭轉(zhuǎn)形貌，提升抗倒伏能力；在雨天，雨水會(huì)沿著曲率葉片表面輸送到根部，當(dāng)根部收集的水分足夠多時(shí)，隨著表面溫度降低，葉片自發(fā)解旋，從而防止過度集水。
徐凡用“師法自然，但又高于自然”評(píng)價(jià)這一過程：“我們從自然植物中獲得靈感并加以改良，使得仿生植物在短短幾十秒內(nèi)就能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)形貌變換。此外，普通葉片被強(qiáng)風(fēng)吹倒后難以恢復(fù)，但剛度強(qiáng)勁的手性螺旋扭轉(zhuǎn)葉片可以快速恢復(fù)直立狀態(tài)。”
徐凡表示，具有環(huán)境智適應(yīng)特性的仿生植株在自適應(yīng)液滴收集和定向輸運(yùn)方面具有應(yīng)用潛力，有望為干旱地區(qū)的土壤改善和智能農(nóng)業(yè)提供新的思路和解決方案。
下一步，團(tuán)隊(duì)將探究不同環(huán)境、不同材料對(duì)仿生具身智能植株的集水和抗風(fēng)能力的影響，嘗試增加光能收集功能，同步實(shí)現(xiàn)物質(zhì)收集與能源收集。“也許在螺旋金釵木完美的手性螺旋形態(tài)背后，還蘊(yùn)含著其他更豐富的生命功能奧秘。”徐凡說。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s43588-025-00786-w
《中國科學(xué)報(bào)》(2025-04-30 第3版 領(lǐng)域)本文鏈接：http://www.020gz.com.cn/news-8-4065-0.html復(fù)旦教授構(gòu)建模仿植物的具身智能
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