让种子自发钻土的“神器”，被Nature杂志选为封面

以下文章来源于求是风采 ，作者王冠云

大自然中有一种名叫牻牛儿苗(Erodium）的植物，它的种子是紧实的“钻头”形状，当下雨或湿度增高时，原本螺旋扭紧的身体会自行松开，将种子像螺丝一样“拧”入土中，以获得更好的生长环境。

受“钻头”种子的启发，浙江大学计算机科学与技术学院设计学团队参与国际合作，设计了一种可以自发钻土的种子载体E-seed，适用于在人类难以进入的地区进行空中播种，为农业播种、植被种植、环境监测、生态修复提供新思路。

Nature 封面。搭载在E-seed上的种子发芽了

研究论文2月16日作为封面文章刊发在Nature杂志。浙江大学计算机科学与技术学院王冠云研究员为第一通讯作者。论文完成团队包括卡内基梅隆大学、宾西法尼亚大学、雪城大学等。浙大参与团队包括孙凌云教授、王冠云研究员，博士生郦家骥、阳月等。

本期分享：

浙江大学计算机科学与技术学院 王冠云 研究员

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你们是怎么关注到牻牛儿苗种子的？

答：我最早了解到牻牛儿苗种子是在大概10年前，在美国留学期间，Lining Yao老师（本项目负责人）介绍了一种自然界中奇特的植物牻牛儿苗，这种植物大多生长在干旱的沙漠类型地区，它通过吸收空气中的湿气使身体发生旋转，从而自发的将种子埋入土中，以便于在复杂的野外环境里提高种子的存活率。当时大家就对这种种子非常着迷，畅想着如何通过人工仿生这一现象，助力我们农业发展。

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它给了你哪些方面的启发？

答：当今社会强调智能化设计，人们希望获得智能化产品，即产品可以自主感知用户、感知环境、并自主响应。这类设计大都需要通过复杂的传感器、电路控制等技术实现，我认为这不是真正的智能。我们从牻牛儿苗种子的行为中受到启发，思考能否研发一种“不插电”的智能产品，充分利用材料与结构的特性实现所需的功能。例如，研发一种可以自主变形的木材，将其制作成牻牛儿苗种子形状，在无需电子技术的干预下自发钻土，实现真正的“智能”。一旦种子可以自发钻土，它将简化播种方式，未来的农业种植方式也会发生相应的变化。

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如何让种子钻土，之前科学界有哪些研究？

答：在科学领域有很多关于变形方面的研究，但大多是从各自的专业领域解决具体的材料问题、力学问题或机械问题等，其实我们团队一直在开展变形设计方面的研究，我们更注重研究成果的应用可行性。例如，本团队一直在开展4D打印变形设计研究，我们研发了一系列变形机制，同时将其应用于可变形家具、可变形食物、可变形服装等领域。我们也一直在探索变形机制在不同种材料中的应用可行性，本项目的木头变形机制就源自于前期大量的4D打印螺旋变形研究。

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设计学背景的你怎么考虑实现这个仿生目标？

答：设计学是一个交叉性很强的学科，在最新一轮的学科目录调整中，“设计学”已经被划为“交叉学科”。我们创新设计团队也一直在从事交叉性研究，我们与各个专业的有同样兴趣的师生结盟，充分发挥大家的专长，同时大家相互学习、相互提升，整个合作过程十分愉快。在本项目中，我们有设计背景、材料背景、机械背景的专家，还有来自企业的市场专家，大家共同讨论、分享，一同合作完成最终的方案。

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过程中最难的是什么？

答：其实每个过程都很难（哈哈），比如在项目前期，大概花了一年半时间都在探索可用于制作变形种子的材料，我们试过纸片、塑料、水凝胶，甚至测试过由几种材料制成的的复合材料，但大部分实验效果都不理想。直到有一天受到造纸方法的启发，我们将木皮进行化学清洗，清洗后的木皮十分柔软，有了改变形状的可能。

接下来又遇到如何将木皮卷成“钻头形”，我们又仔细研究牻牛儿苗种子的形状，研究它的头部、身体和尾巴，迭代设计了30多个版本的模具最终制作出完美的种子形态。

接下来种子头的制作又遇到了巨大挑战，真实的牻牛儿种子头部分布了微小的“绒毛”，这些绒毛可以增加种子钻土过程中的摩擦力，防止钻进去的种子又滑出来。我们测试了不同种动物的毛发，最终从某款化妆笔上剪下来的“毛毛”效果不错。将毛毛粘到种子头上又是一项巨大挑战，后来我们找到一种静电植绒方法，最终解决了这个难题。

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仿生牻牛儿的“智能”体现在哪里？

答：我们研发的E-seed可以根据环境湿度发生身体形态的变化，将头部埋入土壤中。例如在雨天，E-seed种子身体部分吸水后会旋转并展开身体，而在雨停后，种子身体又会反向旋转收缩，整个过程犹如“钻头”的正转和反转过程。通过循环往复的旋转，种子头部便慢慢的钻进了土壤里。

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你们的方案有什么特别之处？

答：相较于真实的牻牛儿苗种子，我们的方案拥有更多的亮点与优势。牻牛儿苗种子只有一条尾巴，很多情况下，种子头和地面无法形成夹角，所以种子钻土成功率不高。而我们的种子可以进行定制化改造，例如我们给种子加上了3条尾巴，这能够保证种子被空投后，头部能始终与地面保持固定的夹角，大大提升钻土成功率。另外，我们也可以通过改变种子身体大小、定制双螺旋结构等实现不同场景的需求。

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如果批量生产，工艺上实现起来复杂吗？

答：我们的制作工艺与材料都是常见的，比如被广泛用于家具制造的白栎木材、常见的木材切割打磨设备、激光切割设备、化学清洗材料与设备等，整套方法可以被广泛普及。但我们目前仍然属于科研实验阶段，并没有花过多的精力与市场推广人员合作，不确定在批量化生产过程中是否会遇到新的挑战。

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你们认为牻牛儿将来有哪些应用场景？

答：我们设计的新型自发钻土种子E-seed，可以极大地简化播种方式，例如未来可以通过无人机精准投放。E-seed可以载入不同类型的种子，如蔬菜种子、草类种子、树木种子，甚至是微生物、真菌、肥料等，可以广泛应用于农田、灾后、矿区等场景下的农业播种、植被种植、生态修复等，助力现代化农业发展。

论文链接

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

转载自“求是风采”公众号

来源：浙江大学学术委员会

转自：“浙大科研”微信公众号

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