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刺激響應(yīng)性驅(qū)動(dòng)器是一種將環(huán)境變化的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械動(dòng)能的裝置，用于控制驅(qū)使物體進(jìn)行各種預(yù)定動(dòng)作。其在柔性機(jī)器人、傳感器、能量轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域展示出廣泛的潛在應(yīng)用，因而受到了人們的廣泛關(guān)注。

在這方面，我們需要向大自然學(xué)習(xí)——大自然經(jīng)過(guò)數(shù)億年的進(jìn)化，已孕育出許多具有獨(dú)特的響應(yīng)性運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的植物或組織。比如，捕蠅草和含羞草在受到觸碰時(shí)會(huì)快速閉合葉子來(lái)捕食昆蟲(chóng)或躲避捕食者；茅膏菜通過(guò)變形包裹住捕捉到的昆蟲(chóng)以進(jìn)一步消化；復(fù)活草在干旱條件下蜷縮包裹自己以減少水分損失；跳舞草會(huì)隨著音樂(lè)舞動(dòng)等。其實(shí)，一些凋亡的植物組織也具有響應(yīng)性運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，其主要依靠獨(dú)特結(jié)構(gòu)和組成實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的響應(yīng)，如松塔的鱗片、蒲公英的冠毛、豆莢、麥芒、冰葉日中花的種皮等。這些植物原型為人工驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)和制備提供了靈感和物理模型，是構(gòu)筑新型功能性人工驅(qū)動(dòng)器的有效途徑。

對(duì)植物原型的理解是一個(gè)較為漫長(zhǎng)的過(guò)程，且隨研究視角和科技的進(jìn)步而逐漸深入。松塔是最具代表性的植物原型之一，相關(guān)研究也已持續(xù)了一個(gè)多世紀(jì)。過(guò)去一個(gè)多世紀(jì)的研究工作主要集中在松塔的運(yùn)動(dòng)機(jī)制探索，即為什么會(huì)動(dòng)，但對(duì)松塔的運(yùn)動(dòng)過(guò)程和特點(diǎn)缺乏關(guān)注。其實(shí)，松子需要在較長(zhǎng)期的干燥環(huán)境中才可以被傳播到遠(yuǎn)離母樹(shù)的地方進(jìn)行繁衍，因此松塔鱗片運(yùn)動(dòng)的速度是很慢的，以確保在其恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)張開(kāi)。松塔的這種濕度響應(yīng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)制一直被歸因于鱗片外層的“肉”（石細(xì)胞）和內(nèi)層的“筋”（維管束）上納米纖維排列方向差異造成的吸濕膨脹差異，但目前的機(jī)制并不能解釋其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，并且無(wú)法解釋其內(nèi)層維管束能夠獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的原因。松塔的超慢濕度響應(yīng)機(jī)制目前仍然是不清楚的，探究其背后的機(jī)理將會(huì)為構(gòu)建新型超慢運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器提供新的思路。

帶著這些疑問(wèn)，科研人員重新審視了松塔的吸濕運(yùn)動(dòng)，對(duì)其運(yùn)動(dòng)過(guò)程和微觀(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入詳細(xì)地觀(guān)察，并對(duì)其機(jī)理進(jìn)行了細(xì)致研究，最終揭示了松塔超慢運(yùn)動(dòng)的原理，完善了對(duì)松塔運(yùn)動(dòng)的傳統(tǒng)認(rèn)知。

研究發(fā)現(xiàn)，相比于其他運(yùn)動(dòng)型植物組織，松塔鱗片展示出最慢的運(yùn)動(dòng)速度，且保持大的形變量。將鱗片解剖后分別觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，內(nèi)層的維管束具有快的運(yùn)動(dòng)速度和大的形變量，而外層的石細(xì)胞組織吸水量大、保水性好、運(yùn)動(dòng)速度慢且形變量小。對(duì)比得出，松塔鱗片的慢速運(yùn)動(dòng)是由維管束驅(qū)動(dòng)的，而保水性好的石細(xì)胞組織減緩其運(yùn)動(dòng)。

通過(guò)對(duì)維管束的微觀(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，維管束是由平行排列的彈簧狀微管和方形微管組成。這兩種微管構(gòu)成了典型的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中，彈簧狀微管聚集在鱗片外側(cè)方向，方形微管分布在鱗片內(nèi)側(cè)方向。原位動(dòng)態(tài)分析顯示，彈簧狀微管展示出更明顯的吸濕伸長(zhǎng)行為，使得在環(huán)境濕度升高時(shí)維管束向方形微管一側(cè)彎曲。

受此啟發(fā)，研究人員利用雙組份3D打印技術(shù)制備了由彈簧狀管和方形管構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本單元，并在管中填充吸濕聚合物，以模仿鱗片中的“肉”來(lái)增大吸濕路徑，成功制備了具有類(lèi)似松塔吸濕運(yùn)動(dòng)的超慢運(yùn)動(dòng)的人工驅(qū)動(dòng)裝置，其運(yùn)動(dòng)速度比已報(bào)道的濕度響應(yīng)驅(qū)動(dòng)器低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程難以察覺(jué)。這種具有極慢動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)裝置有可能為偽裝和偵察設(shè)備的構(gòu)建提供新的思路。

向大自然學(xué)習(xí)是人類(lèi)文明進(jìn)步的重要途徑，在大自然中有所發(fā)現(xiàn)，在認(rèn)知過(guò)程中有所發(fā)明，在應(yīng)用中有所創(chuàng)造，我們才能有所進(jìn)步。

（作者：楊曼，系中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所博士后）