干旱環(huán)境對植物提出了嚴(yán)峻的生存挑戰(zhàn)，導(dǎo)致許多旱生植物演化出獨特的形態(tài)結(jié)構(gòu)，其中澳大利亞南部沙漠中的螺旋金釵木尤為引人注目，它的葉片展現(xiàn)出精妙的手性扭轉(zhuǎn)螺旋形態(tài)（圖1）。手性結(jié)構(gòu)在生命科學(xué)中具有重要地位，Science在125周年特刊更是將“為什么生命需要手性”列為125個重要科學(xué)問題之一。這些旱生植物完美的手性扭轉(zhuǎn)形貌賦予了它們何種特殊的生存優(yōu)勢？
圖1.旱生植物螺旋金釵木。
近日，復(fù)旦大學(xué)徐凡教授團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了手性扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)在植物生存策略中扮演的雙重角色：既有高效的雨水收集效率，又有出色的抗風(fēng)沙防御機(jī)制。研究團(tuán)隊據(jù)此創(chuàng)制了一種可感知環(huán)境變化并自主調(diào)整形態(tài)的仿生智能植株，同時實現(xiàn)了自適應(yīng)集水功能與抗倒伏性能。研究成果以《活性扭轉(zhuǎn)驅(qū)動自適應(yīng)液滴收集》(“Active twisting for adaptive droplet collection”)為題，作為封面文章發(fā)表于《Nat. Comput. Sci.》(2025, 5, 313-321)，被選為“研究簡報”（Research Briefing）專題報道。
研究團(tuán)隊通過對葉片組織結(jié)構(gòu)的觀察發(fā)現(xiàn)，彈簧草、螺旋金釵木等旱生植物的手性螺旋形貌源于葉片層間差異生長導(dǎo)致的應(yīng)變錯配（圖2(a)）。研究人員采用液晶彈性體（LCE）雙層系統(tǒng)來模擬這一結(jié)構(gòu)，并通過直寫式3D打印精確調(diào)控LCE分子取向（圖2(b)），實現(xiàn)了熱/光響應(yīng)下手性扭轉(zhuǎn)、彎曲和螺旋模態(tài)的可編程變形。結(jié)合非歐板殼理論建立的力學(xué)模型，他們發(fā)現(xiàn)變形模態(tài)的選擇主要由初始LCE指向矢的方向決定（圖2(c)-(d)）。同時，研究人員繪制了LCE雙層結(jié)構(gòu)形貌演化的全景相圖（圖3），揭示當(dāng)上下層指向矢角度總和為180°時產(chǎn)生手性扭轉(zhuǎn)模態(tài)，而指向矢分別沿長度和寬度方向引發(fā)純彎曲變形，其他組合則表現(xiàn)為彎-扭耦合的螺旋形態(tài)。
圖2. 利用3D打印制備環(huán)境智適應(yīng)仿生“植株”。通過設(shè)置LCE雙層條帶指向矢取向，可形成如同彈簧草、螺旋金釵木等植物葉片的手性扭轉(zhuǎn)、彎曲和螺旋形貌。
圖3. 雙層條帶指向矢角度與變形模態(tài)相圖。
為驗證這種生物策略對缺水與強(qiáng)風(fēng)環(huán)境的適應(yīng)性，研究人員創(chuàng)制了一種仿生具身智能LCE“植株”（圖4(a)-(d)），具有類似生命體的環(huán)境響應(yīng)特性：升高溫度，原先平整的“葉片”產(chǎn)生手性扭轉(zhuǎn)，引導(dǎo)水分向根部聚集；雨水落在葉面導(dǎo)致局部降溫時，扭轉(zhuǎn)程度會相應(yīng)減弱，自動調(diào)節(jié)水分收集效率；溫度降至室溫，則葉片恢復(fù)平面構(gòu)型。通過激光定點照射（圖4(e)-(h)），更可精確調(diào)控局部葉片的手性形貌。有別于自然植物形貌漫長的演化周期，上述形態(tài)調(diào)整過程可在短短幾十秒內(nèi)完成。此外，葉片通過增大扭轉(zhuǎn)角度，展現(xiàn)出更高的彎曲剛度（圖2(i)-(j)），因此可在強(qiáng)風(fēng)下保持直立姿態(tài)，減少倒伏風(fēng)險。
視頻1. 活性“植物”自適應(yīng)扭轉(zhuǎn)變形。
圖4. 環(huán)境刺激（溫度、光照）觸發(fā)整體或局部葉片發(fā)生手性扭轉(zhuǎn)，同時實現(xiàn)結(jié)構(gòu)抗彎剛度的主動調(diào)控。
圖5. 液滴收集性能與自適應(yīng)調(diào)控：葉片通過曲率定向液滴輸運實現(xiàn)高效集水，基于熱場和激光刺激動態(tài)調(diào)節(jié)集水量，具有環(huán)境智適應(yīng)抗風(fēng)集水優(yōu)勢。
視頻2. 活性扭轉(zhuǎn)實現(xiàn)自適應(yīng)集水。
視頻3. 可調(diào)控液滴收集。
本研究發(fā)現(xiàn)了旱生植物手性扭轉(zhuǎn)構(gòu)形在水分獲取及風(fēng)力抵抗方面的性能優(yōu)勢，同時構(gòu)建了雙層條帶結(jié)構(gòu)形貌演化的理論預(yù)測框架，揭示了手性螺旋葉片與環(huán)境適應(yīng)性功能之間的內(nèi)在聯(lián)系。研究結(jié)果為深入理解這些復(fù)雜形態(tài)的轉(zhuǎn)變規(guī)律及其調(diào)控機(jī)制提供了理論指導(dǎo)，啟發(fā)了仿生智能器件的創(chuàng)新設(shè)計。團(tuán)隊研發(fā)的環(huán)境交互具身智能仿生系統(tǒng)拓展了液滴收集與定向輸運領(lǐng)域的應(yīng)用邊界，在沙漠治理和智能農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。
作者簡介：
該研究由復(fù)旦大學(xué)徐凡教授團(tuán)隊獨立完成。復(fù)旦大學(xué)“超級博士后”楊易凡、博士生戴之峻和副研究員陳禹臻為論文共同第一作者，徐凡教授是論文的通訊作者。研究得到國家杰出青年科學(xué)基金、上海市基礎(chǔ)研究特區(qū)計劃、上海市教委等資助。
原文鏈接：http://doi.org/10.1038/s43588-025-00786-w
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