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研究学者从杜鹃花丛得到机器人材料的新灵感

在一个寒冷的冬季,美国某大学的教授和儿子在波士顿郊外的家附近散步,他们经过杜鹃花丛时,杜鹃花浓密的绿色叶子蜷缩成细管,从茎上垂下,它看起来已经死了或快死了;但是当教授几天后再次走过时,发现杜鹃花似乎已经恢复了活力,叶子摊平着并朝太阳升起;于是教授就决定找出恢复活力的答案。


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杜鹃花在寒冷的气候中盛放,就像它们的花朵一样美丽。一些山地物种的耐寒性部分是由于在严酷条件下触发的可逆叶片运动,其中叶片在叶柄下垂,其边缘在中脉周围卷起。杜鹃叶子的卷曲和卷起是叶片温度的指标:温度越低,其范围越大,正是由于这个原因,杜鹃花通常被称为自然温度计。寒冷的冬天树叶在这组独特的可逆的叶片运动赋予的显着优势,以植物的生存都能够发挥作用,尽管积雪,昼夜冻融循环的威胁,以及风的干燥剂。

在机器人技术和微电子设备中,一直希望设计出仅基于某种刺激(例如温度,光线甚至触摸)的接触和断开的开关。这种理解对于设计智能的主动结构非常重要。而在杜鹃花(卷曲叶子)这种特殊情况下,它的变化取决于水的流动,温度下降时,水从茎移到叶片中,导致茎下垂。水在叶子上的分布不均匀,并且冻结时会导致叶子顶部膨胀而下面收缩,这使叶子开始卷曲。

但是,如果那是它的结尾,则叶子将均匀地向下卷曲,从而形成倒置的杯子形状。导致叶片卷成紧实的雪茄的原因是它们的坚硬的刺或中脉沿着叶片的中心延伸。叶子不能以圆顶状的半球形结构弯曲,只能沿一个方向弯曲,而中脉刚硬的叶子则沿该方向弯曲。曲率仅沿一个方向发展,但它被放大了。


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当研究人员从杜鹃叶子上切下条状并将其与中脉分开时,它们会向各个方向卷曲并松散地扭曲。但是由于中肋限制了卷发,这些力仅重定向到一个方向,从而导致卷发更加紧密。因为运动的动力在叶子上是水平的,因为叶子从边缘向下卷曲。

研究人员使用叶片解剖研究来探究这些运动的机理,这些研究揭示了叶片滚动所必需的整个厚度差异扩张是横向于中脉并沿中脉各向异性分布的。双层薄板的数值模拟和理论分析表明,纵向膨胀放大了横向轧制范围。曲率转移与面内泊松比成比例,刚性中肋适当地辅助了该刚性中肋,该刚性中肋用作控制纵向和横向滚动之间竞争的对称破坏约束。有叶柄和无叶柄的叶片滚动的比较表明,叶柄的柔韧性和叶片滚动部分是机械耦合的响应,这暗示了维持中脉肋刚度临界水平以支持纵向扩张所需的液压路径。

这种卷曲的生物学原因是为了帮助这些植物在冬天生存。尽管在艰难的高山条件下生长,杜鹃在整个冬季都保留着绿叶。由于周围的落叶乔木失去了叶子,多余的阳光到达了杜鹃花。但是在最冷的天气里,他们无法使用它,他们的新陈代谢会关闭。

因此,他们正在吸收辐射,并且没有生化机制将辐射穿梭到光合作用中。他们有很多能量进入叶片,与叶片无关。辐射会损坏树叶。通过卷曲和下垂,杜鹃叶子可以在无法使用时大大减少日光照射到它们上。

这也可能帮助他们在霜冻后融化得更慢。如果叶子融化和解开得太快,霜针可能会刺穿并损坏叶子表面。了解这些机制如何在杜鹃花中发挥作用,可能会帮助科学家设计出对寒冷天气更具抵抗力的农作物.


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这项研究强调了曲率转移对于有效的增强热带植物的耐寒性和抗旱性的叶片运动和热带叶片运动以及使更普通的铰链薄片变形的重要性。有叶柄和无叶柄的叶片滚动的比较表明,叶柄的柔韧性和叶片滚动部分是机械耦合的响应,这暗示了维持中脉肋刚度临界水平以支持纵向扩张所需的液压路径。

通过细胞规模增长和/或膨胀压力变化影响的差异菌株的表征及其与运动的关系,为理解生物学设计原理和生物信号通路提供了一个途径,这对于比较和进化研究很重要和环境稳定性的(遗传性)工程如抗旱性和耐寒性,这个特性材料的发现在未来也可能应用于机器人的耐寒性等功能的开发和应用。


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