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科学家从猪殃殃草汲取灵感创造可生物降解的魔术贴

科技
wanwan (42055)发表于 2021年12月29日 17时21分 星期三
来自无敌号
魔术贴是一种巧妙的钩环紧固件,灵感来自大自然——具体而言是苍耳。现在意大利理工学院的科学家回报大自然了。根据 11 月发表在《通讯材料》期刊上的一篇论文,他们受到了攀缘植物的启发,创造出首款可生物降解的魔术贴,用它制造小型设备,帮助监测作物的健康状况,并根据需要提供杀虫剂和药物。论文合作者者 Isabella Fiorello 和同事对开发创新性的新技术在原位监测植物疾病并为植物输送不同的物质感兴趣。然而很少有这样的装置可以直接附着到植物的叶片而又不会损坏它们。目前最好的选择是用化学胶水或者夹子固定传感器。还有正在开发的基于微针的贴片能穿透叶片进行疾病检测。Fiorello 等人在常见的猪殃殃草(猪殃属原拉拉藤)身上找到灵感。它可以在地面上长成密集、缠结的一大片,虽然这种植物可长到六英尺长,但不能自己站立,必须利用其他植物作为支撑。作者写道,为此猪殃殃草依靠“独特的寄生性棘齿状锚定机制攀爬寄主植物,使用微型钩子和叶片互锁。”

这个意大利的团队仔细研究了这种微钩结构,然后使用高分辨率 3D 打印机创建出人造版本,使用各种材料——包括由被称为异麦芽酮糖醇的类糖物质制成的光敏和可生物降解材料。他们的人工复制品被证明能很好地附着在很多不同的植物物种上,就像自然版本一样。作为最初的应用,该团队设计了一种能以最小侵入性穿透植物表皮的装置,能在必要时对植物进行监测和治疗。异麦芽酮糖醇微钩附着在叶片的维管系统上,然后溶解在里面,因为异麦芽酮糖醇是可溶的。Fiorello 等人的实验表明,他们的人造微钩可作为粘结剂使用,将杀虫剂、杀菌剂或药物定向、受控地释放到叶片上。这将大大减少广泛使用农药的需求。而且由于该粘结剂一经涂抹之后就会溶解,因此不会产生额外的废弃物。

该团队还打印了由光敏树脂制成的挂钩,并将它们与光线、温度和湿度传感器组装在一起,制成智能夹子,以实现对植物健康状况的无线监控。这些夹子附着在单独的叶片上,通过定制计算机软件无线传输数据。原型被证明可抵抗大风条件,能进行长达 50 天的实时测量。这些设备可用于小规模的植物应用,也可以扩大规模使用。作者表示,农民可分散安装许多此类设备,以更好映射并监控广阔的种植区域。Fiorello 等人最后还开发了一种微型机器人系统,能使用微步在叶片表面上移动,复制猪殃殃草的棘齿状运动。斯坦福大学的 SpinyBot 和加州大学伯克利分校的 CLASH 机器人都曾使用过类似驱动机制:前者脚上有微型刺阵列,能爬上坚硬平坦的表面;后者能爬上松散悬挂着的织物(如窗帘)表面。