2023 年 2 月 15 日，卡内基梅隆大學姚力甯、雪城大學張騰、賓夕法尼亞大學楊澍及浙江大學王冠雲共同通訊在Nature 發表題爲 "Autonomous self-burying seed carriers for aerial seeding" 的封面文章，受 Erodium 種子的啓發，該研究設計和制造了自帶 " 鑽頭 " 的種子載體，将木膠皮變成高度堅硬 ( 幹燥時約 4.9 GPa，潮濕時約 1.3 GPa ) 和具有極大彎曲曲率 ( 1,854 m − 1 ) 的濕态彎曲或卷曲驅動器，比文獻中的值大 45 倍。
三尾載體在兩次觸發循環後，在平地上的鑽地成功率爲 80%，這得益于其尾部錨定的有利靜置角度 ( 25 ° -30 ° ) ，而天然 Erodium 種子的成功率爲 0%。運載工具可運載各種大小的有效載荷和内容物，包括生物肥料和白皮松種子大小的植物種子，長度約 11 毫米，重量約 72 毫克。通過對實驗數據和數值模拟數據的比較，闡明了曲率變換和驅動機理，爲種子載體的設計和優化提供了指導。該研究的系統将提高空中播種的有效性，以緩解農業和環境壓力，并在能源收集、軟機器人和可持續建築方面有潛在的應用。
各種天然草種的吸濕種子以其自埋行爲而聞名，其中芒對外部濕度的變化做出反應，導緻種子尖端自埋。這些行爲是有利的，使種子避免火災，并減少暴露于高溫和對降水的敏感性。然而，種子形态的進化往往是爲了适應特定的自然栖息地和其他物理限制，很少有定制的靈活性。不能保證所選的類型将适用于目标栖息地和有效載荷。在對照試驗中，Erodium、Stipa 和 Aristida 的吸濕種子在相對平坦的地形上經過三次觸發循環後幾乎實現了零錨定。
許多吸濕草籽的籽殼很輕，從而限制了攜帶更重有效載荷的潛力，例如大約 72 毫克的白皮松種子，這對重新造林很重要。一個經過工程改造的 Erodium 種子副本已用于現場傳感器部署。然而，在第一次驅動循環後 0-20% 的建立率，需要人工裂縫的土壤類型有限，以及制造過程中較長的化學洗滌周期 ( 7 小時 ) 限制了其在空中播種中的潛在應用。顯然，這一差距爲設計自埋系統提供了機會。在這裏，該研究設定了三個設計标準：它們應該在平坦和粗糙的地形上都能穩定工作；總體大小和其他幾何因素應可調，以适應各種各樣的作物和本地植物種子；材料應該是可生物降解的，制造過程應該是簡單易懂的。
Nature 封面文章
考慮到屋面拓撲結構，尾部和線圈的參數幾何形狀，以及材料的内在特性，研究人員設計并制造了一個三尾種子載體平台，由木質貼面，一種堅硬的生物質。該平台由三尾結構組成，可提高初始成功率；具有可變幾何因素的濕态線圈體，在可制造性和所需推力和驅動幅度的基礎上進行了優化；以及不同的尖端和整體尺寸，以适應不同的有效載荷。
仿生設計的自帶 " 鑽頭 " 的種子載體（圖源自 Nature ）
在相同的試驗條件下，三尾種子載體的表現明顯好于珍珠岩種子和其他四種天然物種的吸濕種子，在相對平坦的土壤上優勢更爲明顯。在這裏提出的工程解決方案受到自然的啓發，但根據特定的地形和有效載荷，包括不同的種子、共生物種和有益的線蟲，提供了靈活性。與現有的生物和合成濕态緻動器相比，該系統最大彎曲曲率爲 1854 m − 1，是已報道的木質彎曲緻動器的 45 倍，并且具有相當大的彈性模量 ( 約 4.9 GPa ) 。
種子載體幾何參數設計（圖源自 Nature ）
三尾載體在兩次觸發循環後，在平地上的鑽地成功率爲 80%，這得益于其尾部錨定的有利靜置角度 ( 25 ° -30 ° ) ，而天然 Erodium 種子的成功率爲 0%。運載工具可運載各種大小的有效載荷和内容物，包括生物肥料和白皮松種子大小的植物種子，長度約 11 毫米，重量約 72 毫克。通過對實驗數據和數值模拟數據的比較，闡明了曲率變換和驅動機理，爲種子載體的設計和優化提供了指導。該研究的系統将提高空中播種的有效性，以緩解農業和環境壓力，并在能源收集、軟機器人和可持續建築方面有潛在的應用。
參考消息：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05656-3
