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。
Science创刊125周年提出了的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，他们首次揭示了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。这一智能植株无需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。
徐凡的研究往往源于生活。2023年，在新疆旅游的他观察到路边的旱地植物，对其手性螺旋扭转的叶片形貌产生了兴趣。
“不同于普通植物，这些旱地植物的叶片为什么总是像DNA一样具有手性螺旋构形？这一形态结构是如何形成的？具有怎样的生命功能？”带着一连串疑问，徐凡请教了诸位植物学家并查阅相关文献。他发现，沙百合、宽叶弹簧草等诸多旱地植物的叶片都呈现出相似的手性螺旋形貌，其中以原产自澳大利亚南部沙漠中的螺旋金钗木最为典型。
“任何结构都不可能无缘无故出现，一定有其生命功能意义。”徐凡猜想，按照达尔文自然选择学说中的“适者生存”原则，叶片手性螺旋形貌可能能够提高叶片集水效率和抗风能力，有利于旱地植物在干旱缺水、风沙运动活跃的沙漠严酷环境中存活。
植物不会说话。为了验证猜想，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。
猜想初步证实后，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？
“尽管不是如大脑一样高级的智能，但一个小小的细胞也具有智能，能够对压力、水分、温度、化学、光照等环境刺激做出自发响应，这就是具身智能。”徐凡介绍，与生命体中的细胞类似，用于仿生的活性LCE材料本身也具有智能。将单个材料基元的具身智能与事物整体的“神经中枢”智能结合起来，就能形成一个高级的复杂智能体系。
在被加热时，LCE棒状分子的排列取向会发生变化，在宏观上则体现为LCE在加热或受光照后自发变形，LCE双层结构就产生了弯曲、螺旋和扭转三种情况。就好比在操场上排队，同学们排成一列和自由活动时，形成的队伍形态和序构是不一样的。
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。
相关文章：
烟台民意通 停放绿化带一年多的轿车移走了 居民感谢“烟台民意通”关注04-24
上海车展响起“武汉声音”04-24
第三届食品药品环境知产犯罪治理论坛在北京举行，专家学者共议法律热点话题04-21
宝马牵手字节跳动，AI能否优化购车体验？04-20