据说艾萨克·牛顿（Isaac Newton）曾经宣布：“仅人类拇指的精致结构就足以使我坚信造物主的存在。”人类手由29个骨头，123个韧带和34个肌肉组成，确实可以称为自然的杰作。能够写，触摸，掌握和感觉，您的手可以使我们以非常准确的准确性与周围环境互动。

为了复制人类手的精美构造，“软机器人技术”领域的研究人员试图在其设计中使用软弹性材料来创建可以由计算机操纵和控制的结构。但是，问题在于，手的构造太复杂了，需要极高的计算能力才能使机器人像真实的手一样灵活。如果您想为在事故或手术中失去手臂的人开发机械假肢，这是一个困难的问题，需要克服。

最近，设计师从异常方向找到了灵感 - 他们将眼睛转向植物的运动。在运动方面，人们想到的不是植物。在我们可以观察到的尺度上，大多数植物移动非常缓慢。例如，叶子的速度通过调节阳光的方向来调整角度，通常是如此之慢，以至于每秒只有几微米。但是，植物实际上具有快速移动的能力，有些甚至可以快速移动。例如，某些植物可以以每秒数十个米的速度传播种子，这比转向太阳的叶子的速度快七个数量级。可以说这是一个巨大的差异。

长期以来，植物的快速和缓慢运动的跨度吸引了科学家的注意。尤其是与动物不同的是，植物没有肌肉或关节，只能通过其他聪明的方式实现可控制和可靠的运动。没有大脑的中心控制，这些运动通常是外部刺激的结果，例如重力，光甚至触摸。

为了了解植物的运动，生物学家自然专注于触发动作的生化信号通路。但是这些行动本身的机制基础是什么？换句话说，植物如何以如此准确，中等和快速的方式移动？研究人员直到最近才从物理学的角度开始考虑这个问题。实际上，植物移动的方式通常取决于自己的结构。

成功的种子

让我们想象植物如何散布种子。它需要宽广的种子，以最大程度地扩大子孙后代在合适的环境中扎根的机会。同时，这也可以增强物种对疾病和自然敌人的抵抗力。一些植物，例如蒲公英，用可以随风漂移的浅种子来实现这一目标。其他人，例如牛ock，在种子中添加倒钩，使后代可以骑动物和人类到达新环境。更重要的是，蕨类植物以一种像中世纪的风衣发出的“种子”，即孢子。

图1孢子投手（照片来源：左：她的Ve Conge，ISM/科学库；右：图片来源：科学/AAAS）

真正的蕨类亚类的植物分散了它们在球形孢子腺（图中的红色颗粒）中存储的孢子。在孢子囊的一侧，沿着子午线方向有一排细胞，它们形成的半圆形结构称为环形带。环形细胞的细胞壁随厚度而变化。与孢子囊接触的环形细胞的基底表面和邻近表面最厚，看起来像U形的侧面（图中的浅黄色结构）。

b当环形细胞失去水和收缩时，环形细胞逐渐从位置①的半圆逐渐打开，延伸至位置④，并继续反向弯曲至位置⑦。然后，紧绷的环带突然伸直了后背（图中未显示），并且在顶部“装载”的孢子像弹射器一样发射。

最出色的蕨类植物“治疗机”也是真正的蕨类子类的成员（Translator's Note：在分类学方面，以及真正的蕨类子类，Ferrex和Ferrex子类，通常称为“ Fern”）。这些蕨类植物将孢子隐藏在叶子背面的微小孢子结构中。这些直径仅为0.2 mm的球体被科学地称为孢子囊。在每个球形孢子虫的一侧，一排细胞沿着子午线方向（称为annulus）整齐地排列了一个半圆。 （翻译器的注意：该列的细胞壁在每一侧的厚度各不相同：每个细胞的基本表面（即与球形孢子囊接触的一侧，内部轴向表面；内部轴向表面）和其他环形细胞的邻近表面（即径向表面）（即径向表面）（即这三个细胞壁）。这三个细胞壁是较薄的厚度，该厚度是较薄的。细胞壁很小，细胞壁很大。）

随着环境温度的升高和湿度的降低，环形细胞中的水开始蒸发，并且环形条带从半圆形逐渐拉直。在环带的拉动下，球形孢子囊沿赤道方向裂开一个狭窄，暴露了所包含的孢子。随着环电池的水分流失和皱纹的程度加剧，环甚至反向弯曲（图1）。目前，戒指充满了势能，就像拧紧的铸造臂一样，随时准备进行最终发射。

When the ring cells continue to lose water, the water pressure in the crumpled cells will further decrease until it is lower than the vapor pressure of the water itself, and the cavity that looks like bubbles begins to appear in the cell fluid, and the inside of these cavity is actually close to a vacuum - the phenomenon in which the liquid spontaneously forms hollows inside when the pressure decreases is called cavitation.这些“气泡”在形成后破裂，立即触发紧紧的环带，并迅速发射孢子[1]。来自法国尼斯大学的Xavier Noblin团队的2012年研究发现，蕨类植物的孢子囊通过这种快速能量释放将孢子从静止状态加速到每秒10米的速度，这相当于将重力加速施加到孢子上高达100,000次的重力加速度[2]。

产生肉类的植物

植物不仅需要确保其后代的生存，而且还需要获得维持生命所需的营养。大多数植物从土壤，空气和水中吸收养分，并从阳光中收集能量，以满足生存的需求。但是，几种植物（占所有被子植物物种中有0.2％）是额外的营养来源：它们捕食的动物。最著名的“食肉动物”植物是金星蝇（Dionaea muscipula），它是美国东部亚热带湿地环境的本地。

这种美丽的植物的每片叶子的末端都有一对叶子花瓣，像扇贝的双壳类一样在中间铰接。当苍蝇或其他昆虫被叶子花瓣吸引并发现时，刺激了叶子花瓣上的微小头发，并触发叶子花瓣的闭合，捕获猎物并将其监禁在两个叶子花瓣形成的狭窄空间中。然后，叶子的秘密腔室分泌一种含有酶的液体，消化并将动物的软组织溶解成可吸收的液体。植物完全吸收所需的营养后，叶子和花瓣将再次打开。随着昆虫的遗骸被风带走，飞陷阱已经准备好了下一个猎物的到来。

如果维纳斯·弗洛特（Venus Flytrap）想吃足够的东西，他就不能以速度输给猎物，而苍蝇可以迅速反应（400毫秒内）。实际上，维纳斯蝇带的叶衬上的闭合只需要大约四分之一的苍蝇反应时间，而猎物可以早在感官之前完成运动。

然后出现了问题，植物如何反应这么快？对于许多可以移动的植物，高速的秘诀在于液压传播。通过改变叶片不同区域的细胞中的离子浓度，植物可以调节体内水的分布。水较少的细胞会收缩，而具有更多水的细胞会膨胀，这使植物可以自动改变形状，例如延伸同一叶子的一侧并缩短另一侧。因此，刀片可以执行特定的运动，就像一个人可以通过在上臂中收缩二头肌来抬起手臂。

随着植物尺寸的增加，运动所需的水量增加。但是，液体流量的速度受到限制，因此，具有给定尺寸的植物将具有其运动速度上限，除非它具有自己的独特技能。这意味着，对于金星捕蝇器而言，如果它只能使用液压动物移动，那么当叶阀最终关闭时，苍蝇会感到危险。为了克服植物组织中液体流量较慢引起的动作速度限制，金星捕蝇器采用与风吹向风的物理原理相同的物理原理。

查尔斯·达尔文（Charles Darwin）在他的1875年著作《昆虫植物》中描述了金星蝇的叶片衬里的形态特征：打开时，叶片衬里突出（向外）；关闭时，叶衬是凹形（向内弯曲）（图2）。尽管打开叶片的状态在机械上是稳定的，但叶衬也处于弹性不稳定的临界点。当昆虫访问刺激叶衬上的触觉头发时，叶衬的一侧的大小将增加。

图2金星捕蝇叶花瓣的开口和闭合图像：流体折纸嵌入压力依赖性多稳定性：植物启发的创新，2015年9月，《皇家学会界面》 12（111）doi：10.1098/rsif.2015.0639 flytrap Photom：Beatrice Murch（）。

In 2005, the L Mahadevan research team at Harvard University used a high-speed camera to record the process of leaf extension that made the leaf lily of the Flytrap exceed the stable limit: the leaf lily that was originally raised inward suddenly bent inversely and closed quickly within a few seconds of zero - like a strong wind blowing the umbrella upward, turning it from one stable geometric configuration to another [3].当今的工程师使用这种现象称为“快速屈曲不稳定”来设计一些精确的结构，但是这样，金星蝇trap已经领先了一步。

致命轮盘赌

相比之下，金星蝇trap的水生亲戚Aldrovanda Vesiculosa是一种罕见的昆虫植物，其运动机制也非常有趣。囊泡浣熊藻类原产于亚洲，澳大利亚，欧洲和非洲的淡水体，是一种侵入性的水生植物。与金星蝇类似，它还具有两个类似夹子的昆虫捕捉叶阀，可以快速关闭并感受到刺激。这些叶子衬里缺乏铰链结构，这使它们看起来像Pac Man游戏中的主角（图3）。囊泡浣熊藻类的昆虫捕捉叶子在茎上以轮子状的方式排列，因此被赋予了英文名称“ Waterwheel”。

图3神奇的“水轮” |资料来源：取自Proc。皇家学会B 10.1098/R SPB.2018.0012;经许可重新使用； Cour Tesy植物生物力学小组

一个囊泡浣熊藻类生活在水中，被称为“水轮”，因为叶子出生在茎上。可以打开的昆虫陷阱（b）或封闭（c）专门在每片叶子的顶部。当昆虫进入时，昆虫陷阱会突然关闭，将猎物捕获在其中。通过运动学扩增，两个叶子的连接产生的轻微变形会导致叶衬的末端，从而使运动更大。打开时，囊泡浣熊藻类的昆虫陷阱也处于预应状态，这有助于进一步加快叶片瓣膜闭合的运动。

像同一家族的姐妹一样，对于囊泡浣熊藻类（仅依赖液压传播），其运动速度就无法跟上诸如水螨和蚊子幼虫等猎物的速度。为了捕获昆虫，囊泡浣熊藻类在整体结构中利用“运动学扩增”的原理，零件的有限移动较小会在另一个地方引起大量位移。门的开关是运动学扩增的最简单例子：通过触摸门把手远离轴，您可以轻松地将门推开；但是，如果您在轴附近的一端施加力，则需要使用更多的力来打开与同一水平的门。

由安娜·韦斯特梅尔（Anna Westermeier）领导的德国弗雷堡大学的一名研究团队在2018年观察到，囊泡浣熊藻类使用液压压力在昆虫陷阱的底部产生略有变形，从而扩大了结构的这一部分，数十个microns。在运动学扩增的作用下，这种不起眼的变形增加了约200倍，从而使小泡浣熊藻类无需铰链而关闭叶片衬里并捕获猎物。

在等待猎物的同时，昆虫陷阱维持的“预压力”状态也可以帮助囊泡浣熊藻类快速运动。就像弹簧在狭窄的空间中紧密压缩一样，叶盖存储弹性势能。当触发动作时，弹性势能会立即释放，从而加快了叶子盖的速度[4]。只要猎物不足以撬开昆虫陷阱的打开，那么一天就不会饥饿的囊泡浣熊藻类。

史莱姆杀手

Drosera Capensis是在南非的好望角生产的，也是一种迷人的昆虫植物。它的叶子薄又长，表面覆盖着鲜艳的细腻的腺体，如触手。在每个腺体头发的顶部分泌一滴粘稠的透明液体珠。当昆虫落在叶子上时，它们会被卡住，细长的叶子会向内卷起，更牢固地粘贴猎物，并使更多的腺体头发与昆虫的身体接触，以便香肠可以尽可能地消化猎物和摄入营养素。

香肠属的植物曾经使达尔文着迷，以至于他曾经声称自己“关心香肠，甚至比世界上所有物种的起源更重要”。即便如此，绿松石白菜的叶子的运动机制一直是一个谜。直到2019年，米兰大学的Caterina La Porta和Stefano Zapperi领导的跨学科合作项目终于给出了答案。这项研究表明了世界的整个机械机制的整个机械机制是樱桃樱桃叶子的特殊运动以及其背后的生化信号通路。作者很幸运能成为研究团队的成员。

在光学显微镜下，研究人员发现，南非万寿菊叶子上和下表面上的细胞不同。叶子下表面上的细胞相对细长，并平行于叶子的长轴；相反，上表面上的细胞更接近圆形。当刺激剂的叶子被刺激时（例如飞行的昆虫降落在叶子表面上）或一滴牛奶（我们用于在实验中刺激刺激物的刺激物的方法） - 例如上述维纳斯蝇带和小囊泡浣熊藻类，刺激物会导致叶片细胞的内部压力，从而导致细胞的内部压力。

想象一下气球被炸毁。它的扩展方式大致取决于它在膨胀之前的形状：吹时圆形气球仍然是圆形的，而长气球不会变成圆形，而只会吹出更长的时间。菊花叶叶表面的细胞也像气球一样。当上表面上的细胞几乎保持圆形时，下表面的长单元将延伸更长的时间。这样，刀片上部和下表面的膨胀的方向和速率是不同步的，从而导致叶子的几何构型的变化。下表面长于上表面，因此将叶子卷曲在卡在昆虫周围，将猎物与无法逃脱的点结合。

当我们看到南非棉花糖的叶子表面的微观结构时，我们将理解其弯曲能力由这些细胞结构注定为这些细胞结构，它们是相同的生化信号进入叶子上下表面的不对称反应。受南非万寿菊叶的卷发动作的启发，我们的合作伙伴团队将这一发现迁移到了软机器人技术领域，因为人造手需要对特定的输入信号做出可预测的反应：需要基于刺激做出指定的动作。因此，我们决定根据菊花片叶子表面的不同细胞结构设计一种新的人工学材料。

我们使用了一个普通的塑料来创建一个双层结构，该结构可以重现南非香肠的卷曲叶片的作用（图4）。该双层结构的上层由六边的沙漏形状重复和拟合组成，拉伸时的厚度会增加（即，泊松比为负）。下层的结构大致相同，只是还有一块塑料在每个沙漏形状的薄腰上连接两个角，在经历相同的拉伸时可能会变得更薄（即，泊松的比率为正）。

图4压缩卷曲|资料来源：Daniel Rayneau-Kirkhope

受到猎物周围卷曲的南非乌龟香肠叶子的作用的启发，作者的研究小组设计和制造了该图中的双层网格结构。如扩大图像所示，结构的上层由许多嵌入彼此的沙漏形单元组成，而下层的边缘比上层（放大图像中的红色部分）更优边，将沙漏分为两个等胶属于牙作为属于两个等胶。当结构的两端被挤压时，它将像鱿鱼的刺激性叶子一样向上滚动。在软机器人的领域中，具有这种结构的材料可用于假肢设计，使它们像真实的手一样移动。

这种新的双层结构易于生产，并且具有很大的应用空间。计算机模拟表明，如果增加沙漏形电池内的气压，我们的材料可以从最初的平坦状态自发地卷曲成一个圆，就像菊花的叶子一样，它会模仿它。此外，我们还发现，施加两端的压力，材料能够卷起并最终达到相同的圆形状态。也就是说，有多种方法可以卷曲这种无声的结构。

如今，不再难以想象这种软材料在其结构中包含“动机”。它的外观将取代通常的僵硬的机械接头，从而使机器人的手指和手臂根据情况弯曲和拉直。对于这样的柔软机器人，牢固地抓住脆弱的物品，例如杯子，盘子，菜肴，菜肴和其他脆弱的物品，而不会压碎它们。操纵这样的机器人不再需要如此高的计算能力，也不需要复杂的反馈回路以防止在抓握过程中损坏机器人。

仿生未来

从从超疏水莲花叶表面创建的自我清洁窗户到受豪猪荆棘启发的外科主食，科学家和工程师都发现了越来越多的自然设计灵感。但是，研究人员不会简单地模仿动物和植物来创建机械，而是努力将这些结构原理与现代材料工程相结合，以设计新一代的仿生机器。

仿生学的美在于自然已经证明了它的可靠性。地球上的生活已经经过数十亿年的测试，这些计划不成功，长期以来已经消除：如果植物无法从环境中获得生命所需的养分，那么它们就有死亡的危险；如果种子没有有效传播，则该物种将逐渐灭绝。牛顿对人类拇指的精美结构感到惊讶的是，他会认为，如果他看到一个机器人将来为植物运动设计了灵感吗？

原始链接：

本文是《物理世界》专栏中的第44篇文章。