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图 松塔的超慢湿度响应机制(a-f)及仿生制备的超慢人工驱动装置(g)
在国家自然科学基金项目（批准号：22035008、22125201、21972155、21988102）资助下，中国科学院理化技术研究所王树涛研究员团队与北京航空航天大学刘欢教授团队合作，在仿松塔超慢人工驱动器研究方面取得进展。相关成果以“仿松塔吸湿形变的难以察觉的运动（Unperceivable motion mimicking hygroscopic geometric reshaping of pine cones）”为题，于2022年11月10日发表在《自然•材料》（Nature Materials）上，论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-022-01391-2。
近一个世纪以来，湿度响应的松塔为人工驱动器的设计和制造提供了诸多灵感。松塔的湿度响应一直被认为是由鳞片外层的“肉”（石细胞，sclerids）和内层的“筋”（维管束，vascular bundle）上纳米纤维排列方向不同造成的吸湿膨胀差异引起的。但传统认知无法解释松塔的形变速度为什么比其他吸湿变形的植物组织慢（图a），也很难解释单独的维管束同时具有湿度响应这一现象（图b）。
针对这些问题，该合作研究团队重新审视了松塔的吸湿运动行为，发现松塔鳞片的运动主要由维管束驱动，而保水性好的石细胞组织负责减缓鳞片的运动速度（图c），以使松塔在长期干燥的环境中才慢慢打开，方便风和动物把种子传播到远离母树的地方进行繁衍。他们发现维管束是由平行排列的弹簧状微管和方形微管构成的异质结构（图d）。弹簧状微管具有更大的吸湿膨胀能力，这使维管束在高湿度条件下向方形微管侧弯曲（图e-f）。受此启发，上述团队利用双组分3D打印制备了具有弹簧状管/方形管异质结构的基本单元，并向管中填充吸湿性聚合物，以模拟鳞片中的“肉”，成功制备出具有类松塔超慢动作的人工驱动装置（图g）。其运动速度比已有的湿度响应驱动器低两个数量级，动作超慢到难以察觉。
该研究成果揭示了维管束形变机制和松塔超慢运动奥秘，为开发速度可控的刺激响应驱动器提供了新的物理模型。该工作也被新加坡国立大学（NUS）的Cecilia Laschi教授和意大利理工学院（IIT）的Barbara Mazzolai教授在同期Nature Materials的News & Views专栏以“不可察觉地运动（Move imperceptibly）”为题，进行了专题报道，报道链接：https://www.nature.com/articles/s41563-022-01411-1。