干旱環(huán)境對植物提出了嚴峻的生存挑戰(zhàn)，導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，復旦大學徐凡教授團隊發(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，又有出色的抗風沙防御機制。研究團隊據(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致的應變錯配（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)境智適應仿生“植株”。通過設置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風環(huán)境的適應性，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)境響應特性：升高溫度，原先平整的“葉片”產(chǎn)生手性扭轉(zhuǎn)，引導水分向根部聚集；雨水落在葉面導致局部降溫時，扭轉(zhuǎn)程度會相應減弱，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)），因此可在強風下保持直立姿態(tài)，減少倒伏風險。
視頻1. 活性“植物”自適應扭轉(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)境智適應抗風集水優(yōu)勢。
視頻2. 活性扭轉(zhuǎn)實現(xiàn)自適應集水。
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)形貌演化的理論預測框架，揭示了手性螺旋葉片與環(huán)境適應性功能之間的內(nèi)在聯(lián)系。研究結(jié)果為深入理解這些復雜形態(tài)的轉(zhuǎn)變規(guī)律及其調(diào)控機制提供了理論指導，啟發(fā)了仿生智能器件的創(chuàng)新設計。團隊研發(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域的應用邊界，在沙漠治理和智能農(nóng)業(yè)等領域具有廣闊應用前景。
作者簡介：
該研究由復旦大學徐凡教授團隊獨立完成。復旦大學“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基金、上海市基礎研究特區(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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