复旦教授构建模仿植物的具身智能

为什么生命需要手性？

这是《科学》在创刊125周年时，提出的125个重要科学问题之一。

近年来，复旦大学教授徐凡团队聚焦“手性”这个议题，做了一系列有趣的研究——从失水萎缩后表面形成手性螺旋形貌的百香果，到受水面浮力影响而生长形貌各异的荷叶，自然界中隐藏着各种生长、萎缩、手性、曲率与褶皱等形貌力学的基本科学问题。

旱地植物螺旋金钗木。受访者供图

近日，徐凡团队又有了新进展。该团队首次揭示了手性螺旋扭转结构在水分收集与抗风性能中的双效机制，并构建了具有环境智适应特性的仿生具身智能植株。该植株无需外部能源或芯片控制，便可像生命体般智能感知环境变化，自发调整形貌以优化功能，在自适应液滴收集和定向输运方面具有应用潜力。相关研究以封面文章形式发表于《自然-计算科学》，并被选为“研究简报”作专题报道。

在旅游时获得灵感

2023年，徐凡在新疆旅游时，偶然发现路边植物的叶片形状非常特殊，就像DNA一样，呈现出手性螺旋扭转的构形。这一形态结构是如何形成的，具有怎样的生命功能？带着疑问，徐凡开始了探索。

通过请教植物学领域的学者以及调研文献，徐凡了解到，沙百合、宽叶弹簧草等很多旱地植物的叶片都呈现出相似的手性螺旋形貌，其中以原产自澳大利亚南部沙漠中的螺旋金钗木最为典型。

“尽管不是和大脑一样具有高级的智能，但一个小小的细胞也具有智能，能够对压力、水分、温度、化学、光照等环境刺激作出自发响应，这就是具身智能。”徐凡猜想，叶片的手性螺旋形貌也许能提高叶片的集水效率和抗风能力，有利于旱地植物在干旱缺水、风沙运动活跃的沙漠严酷环境中存活。

为了验证这一猜想，徐凡团队利用3D打印技术，将液晶弹性材料（LCE）打印成仿生的叶片双层结构，并比较了仿生手性螺旋扭转叶片植株与平直叶片植株的集水与抗风效率。结果显示，相比平直叶片，手性螺旋扭转叶片在雨水收集和抵抗强风方面均具有显著优势。

值得一提的是，用于仿生的活性LCE也具有“智能”——当被加热或受到光照时，LCE棒状分子的排列取向会发生变化。由此，LCE的双层结构就会产生自发的弯曲、螺旋和扭转。

这一独特特性使团队可以进一步利用LCE“耍花枪”。

打造高效抗风集水的智适应仿生植株

“我们整理了一套‘菜谱’，可以根据现实需要做出不同的菜。”徐凡表示。

徐凡团队首先从理论上摸清了LCE分子的“底细”。经过一系列精密推理计算，团队发现双层结构变形的结果取决于两层材料之间的指向矢角度差异，即LCE分子的整体取向。

据此，团队进一步构建了LCE双层条带弯曲、扭转和螺旋形貌形成的力学理论模型，能够直观展现不同指向矢角度分布下LCE双层条带受热后产生的变形情况。换言之，只要根据形貌演化相图调控LCE双层条带之间的指向矢角度，就能获得想要的变形结果。

值得一提的是，手性螺旋扭转构形的叶片，其水分纵向输运路线最接近直线，且不易弯折，因此集水效率最高。在强风等极端环境下，该形态叶片比平直叶片的集水效率高出一倍。

在此基础上，徐凡团队成功构建了具有环境智适应特性的仿生具身智能植株，可根据环境刺激自发调控形貌。光照升温时，仿生植株叶片可形成手性螺旋扭转形貌，提升抗倒伏能力；在雨天，雨水会沿着曲率叶片表面输送到根部，当根部收集的水分足够多时，随着表面温度降低，叶片自发解旋，从而防止过度集水。

徐凡用“仿效自然，但又高于自然”评价这一过程：“我们从自然植物中获得灵感并加以改良，使得仿生植物在短短几十秒内就能实现结构形貌变换。此外，普通叶片被强风吹倒后难以恢复，但刚度强劲的手性螺旋扭转叶片可以快速恢复直立状态。”

徐凡表示，具有环境智适应特性的仿生植株在自适应液滴收集和定向输运方面具有应用潜力，有望为干旱地区的土壤改善和智能农业提供新的思路和解决方案。

下一步，团队将探究不同环境、不同材料对仿生具身智能植株的集水和抗风能力的影响，尝试增加光能收集功能，同步实现物质收集与能源收集。“也许在螺旋金钗木完美的手性螺旋形态背后，还蕴含着其他更丰富的生命功能奥秘。”徐凡说。