四校合作！Nature封面论文：受种子启发！会钻地的木材机器人，大幅提高播种效率，还可降解！

以下文章来源于高分子科学前沿 ，作者高分子科学前沿

来源 | 高分子科学前沿

空中播种是一种通过从飞机、直升机或无人机上喷洒种子来播种的技术，它可以快速覆盖大片地区甚至是常人难以到达的区域，用于改善土壤质量、火灾后重新造林以及荒地恢复等。然而，未经掩埋的种子，不仅直接暴露于不适宜的空气湿度和温度、强光、大风中，还容易被动物掠食，实际的成活率和发芽率可能很低。

大自然提供了一种解决方案，Erodium牻牛儿苗的种子自带“钻头”，也就是弯曲的尾巴，作为自埋的工具，将种子推入地下，但牻牛儿苗的种子自埋受到地形和其他一些物理因素的限制。

在这种灵感的启发下，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、浙江大学王冠云合作设计制造了一种基于橡木吸湿性的机器人作为种子载体用于空中播种，在平坦土地上的种子钻孔成功率为 80%。相关成果以“Autonomous self-burying seed carriers for aerial seeding”发表于最新一期Nature，并登上封面。

自埋机器人的设计

考虑到拓扑结构、尾部和线圈的几何参数以及材料的内在特性，该研究团队设计并制造了一个由木材制成的三尾种子载体机器人。其三个尾端的配置可以更有效地锚定，并产生更大的旋转和推力，增加初始钻探成功率；随着空气中含水量增加或地面的变湿，线圈主体及尾巴会改变形状并展开，从而产生一种钻孔作用，将种子安全地埋在土壤表面以下；干燥时，尾部倒转，将种子推入土壤更深处；而调整种子载体不同的尖端和整体尺寸可以适应不同的有效载荷。

自埋种子载体机器人

自埋种子载体的设计

木头作为原材料

该研究强调了天然材料具有高度可控性、功能性以及发展潜力。木材由排列成蜂窝状结构的多层细胞壁组成，这些层结构使得材料坚硬，重量轻，且具有吸湿性——当细胞从环境中吸收水分时，木材组织的不同膨胀度会导致形状发生变化。该研究首先优化了刚度和曲率，使用天然白橡木材，通过不同方式的成型和干燥过程，改变了木材的曲率，使其在保持 36% 的刚度的同时，实现高达45倍的弯曲曲率。随后，将该木材放置在 3D 打印模具上，制作以牻牛儿苗种子为灵感的三尾自埋种子载体。

曲率形成机制以及湿态驱动

应用优势

在这些改进基础上，相同测试条件下，自埋机器人的三尾种子载体的性能明显优于牻牛儿苗种子和其他四种天然吸湿性种子。在相对平坦的土壤上，自埋机器人具有更明显的优势，两次水合脱水循环后，80%的三尾种子载体成功将种子埋入地下，而天然牻牛儿苗种子成功率为0。基于几何的设计，该研究能够针对不同的地形条件和有效载荷定制自埋种子载体，最大可以携带和白皮松树一样大的种子（长约11毫米，重约72毫克）。

三尾与单尾种子载体对照实验

交叉学科与设计

卡内基梅隆大学姚力宁团队的形变材料实验室网站首页，充满许多有创意的实验项目。比如，用于意大利面的智能形变材料，有望用于未来太空食品；使用廉价的3D打印机来生产扁平的塑料物品，这些物品在加热后会自行折叠成预定的形状，如玫瑰、船甚至兔子，有望用于家具的扁平包装和紧急避难所的平放运输等。这些有趣的设计，利用智能先进材料和前沿的生产方式，以问题导向研究物品如何被设计制造，大多数已发表对应高水平论文。

形变材料实验室网站首页项目

作者简介

姚力宁，卡内基梅隆大学助理教授。分别于2007年和2010年在浙江大学获得工业设计专业本科及硕士学位；2016年于麻省理工学院取得博士学位；2017年入职卡内基梅隆大学人机交互研究所任助理教授。课题组研究兴趣包括可编程和变形智能材料，计算和数字生产，设计实践等。

全文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05656-3

https://www.nature.com/articles/d41586-023-00396-4

相关视频链接：

https://www.nature.com/articles/d41586-023-00472-9

来源：高分子科学前沿

转自：“学术观察”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！