蒲公英:环境湿度调控的飞行新机制

自然界中的生物经过长期的进化发展了多种智能化的生存策略,尤其是在高效利用周围环境中水资源的方面,呈现出多种独特的性能,比如利用环境湿度的改变,松果实现了种子的释放,小麦实现了种子的自驱动进入土壤。这些策略可以使生物体可以更好的适应各种生存环境。该领域的研究为科学家设计和制备新型智能响应材料提供了许多灵感。这些独特功能的核心是生物体的各向异性和分级有序的微观结构。其中,环境湿度响应的生物结构的变化或重建尤其迷人,赋予了生物体诸多独特功能。成熟蒲公英种子的冠毛呈现降落伞形状,这种独特的外形结构可使蒲公英凭借风进行大范围、远距离的传播。研究发现,冠毛的形状(即纤维阵列的排列方式)会随着大气湿度的不同而发生变化。但是这种冠毛纤维的空间形态随湿度响应的机理以及对蒲公英传播的影响和调控机制目前依然未被揭示。

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[图一:蒲公英冠毛受环境湿度调控的张开-闭合可逆运动,及其原位环境扫描电镜观察]

北京航空航天大学刘欢课题组利用环境扫描电镜原位揭示了蒲公英冠毛受环境湿度驱动的“张开-闭合”的运动行为:即随着环境湿度的增加/减小,辐射状排列的冠毛纤维阵列的张合角度会减小/增大。研究表明其机制在于与冠毛相连的叶枕(pulvinus)内两种斜交方向排列的管胞(tracheid,图中区域Ⅰ和区域Ⅱ)在湿度环境下不同的侧向膨胀行为:相比于区域Ⅰ,区域Ⅱ的管胞表现出明显增大的侧向膨胀,从而产生法向的应力驱动冠毛运动。 通过理论模拟与实验结果,揭示了蒲公英冠毛这种受环境湿度驱动的“张开-闭合”可调控其在空气中的飞行行为。理论计算表明,冠毛在空气中流场作用下的受力行为与其在平面的投影面积有关,因此不同张开角度的冠毛在空气中的受力大小不同。实验结果证实了蒲公英的受环境湿度调控的飞行行为:即在高的环境湿度下,冠毛闭合,空气中飞行受到阻力减小,下落速度加快,传播距离缩短;在低的环境湿度下,冠毛张开,空气中飞行受到阻力增大,下落速度变慢,传播距离增加。蒲公英冠毛湿度响应行为可以有效的提高所携带种子的繁殖几率(高湿度环境有利种子繁殖),并且有利于其在干燥空气下的远距离传播。

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[图二:不同张开角度的蒲公英冠毛在空气中流场作用下的受力分析及其实验结果。]

受此启发,作者设计了基于纤维与水凝胶的集成原型器件,实现了湿度响应的纤维阵列形貌的调控。蒲公英这种受环境湿度驱动的冠毛“闭合-张开”为设计新型智能响应的微型飞行器提供了新的思路。本工作以封面文章的形式发表在 Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201602596)上,第一作者为北京航空航天大学化学学院博士生孟庆安。