浙大合作发表论文，登 Nature 封面！
2023 年 2 月 15 日，卡内基梅隆大学姚力宁、雪城大学张腾、宾夕法尼亚大学杨澍及浙江大学王冠云共同通讯在Nature 发表题为 "Autonomous self-burying seed carriers for aerial seeding" 的封面文章，受 Erodium 种子的启发，该研究设计和制造了自带 " 钻头 " 的种子载体，将木胶皮变成高度坚硬 ( 干燥时约 4.9 GPa，潮湿时约 1.3 GPa ) 和具有极大弯曲曲率 ( 1,854 m 1 ) 的湿态弯曲或卷曲驱动器，比文献中的值大 45 倍。
三尾载体在两次触发循环后，在平地上的钻地成功率为 80%，这得益于其尾部锚定的有利静置角度 ( 25 ° -30 ° ) ，而天然 Erodium 种子的成功率为 0%。运载工具可运载各种大小的有效载荷和内容物，包括生物肥料和白皮松种子大小的植物种子，长度约 11 毫米，重量约 72 毫克。通过对实验数据和数值模拟数据的比较，阐明了曲率变换和驱动机理，为种子载体的设计和优化提供了指导。该研究的系统将提高空中播种的有效性，以缓解农业和环境压力，并在能源收集、软机器人和可持续建筑方面有潜在的应用。
各种天然草种的吸湿种子以其自埋行为而闻名，其中芒对外部湿度的变化做出反应，导致种子尖端自埋。这些行为是有利的，使种子避免火灾，并减少暴露于高温和对降水的敏感性。然而，种子形态的进化往往是为了适应特定的自然栖息地和其他物理限制，很少有定制的灵活性。不能保证所选的类型将适用于目标栖息地和有效载荷。在对照试验中，Erodium、Stipa 和 Aristida 的吸湿种子在相对平坦的地形上经过三次触发循环后几乎实现了零锚定。
(资料图)
许多吸湿草籽的籽壳很轻，从而限制了携带更重有效载荷的潜力，例如大约 72 毫克的白皮松种子，这对重新造林很重要。一个经过工程改造的 Erodium 种子副本已用于现场传感器部署。然而，在第一次驱动循环后 0-20% 的建立率，需要人工裂缝的土壤类型有限，以及制造过程中较长的化学洗涤周期 ( 7 小时 ) 限制了其在空中播种中的潜在应用。显然，这一差距为设计自埋系统提供了机会。在这里，该研究设定了三个设计标准：它们应该在平坦和粗糙的地形上都能稳定工作；总体大小和其他几何因素应可调，以适应各种各样的作物和本地植物种子；材料应该是可生物降解的，制造过程应该是简单易懂的。
Nature 封面文章
考虑到屋面拓扑结构，尾部和线圈的参数几何形状，以及材料的内在特性，研究人员设计并制造了一个三尾种子载体平台，由木质贴面，一种坚硬的生物质。该平台由三尾结构组成，可提高初始成功率；具有可变几何因素的湿态线圈体，在可制造性和所需推力和驱动幅度的基础上进行了优化；以及不同的尖端和整体尺寸，以适应不同的有效载荷。
仿生设计的自带 " 钻头 " 的种子载体（图源自 Nature ）
在相同的试验条件下，三尾种子载体的表现明显好于珍珠岩种子和其他四种天然物种的吸湿种子，在相对平坦的土壤上优势更为明显。在这里提出的工程解决方案受到自然的启发，但根据特定的地形和有效载荷，包括不同的种子、共生物种和有益的线虫，提供了灵活性。与现有的生物和合成湿态致动器相比，该系统最大弯曲曲率为 1854 m 1，是已报道的木质弯曲致动器的 45 倍，并且具有相当大的弹性模量 ( 约 4.9 GPa ) 。
种子载体几何参数设计（图源自 Nature ）
三尾载体在两次触发循环后，在平地上的钻地成功率为 80%，这得益于其尾部锚定的有利静置角度 ( 25 ° -30 ° ) ，而天然 Erodium 种子的成功率为 0%。运载工具可运载各种大小的有效载荷和内容物，包括生物肥料和白皮松种子大小的植物种子，长度约 11 毫米，重量约 72 毫克。通过对实验数据和数值模拟数据的比较，阐明了曲率变换和驱动机理，为种子载体的设计和优化提供了指导。该研究的系统将提高空中播种的有效性，以缓解农业和环境压力，并在能源收集、软机器人和可持续建筑方面有潜在的应用。
参考消息：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05656-3
