種子還能自發(fā)鉆土？這正是大自然的神奇之處。有種名叫牻牛兒苗（Erodium）的植物長(zhǎng)著“鉆頭形”種子，會(huì)在下雨或濕度增高時(shí)，把原本螺旋扭緊的身體展開(kāi)，將種子頭推入土里，從而免于被鳥(niǎo)類等動(dòng)物掠食，也免受惡劣環(huán)境的影響，使種子更易于生根發(fā)芽。
受“鉆頭形”種子的啟發(fā)，我校計(jì)算機(jī)學(xué)院設(shè)計(jì)學(xué)團(tuán)隊(duì)參與國(guó)際跨學(xué)科交叉合作，聯(lián)合設(shè)計(jì)了一種可以自發(fā)鉆土的種子載體E-seed，適用于在人類難以進(jìn)入的地區(qū)進(jìn)行空中播種。E-seed將為農(nóng)業(yè)播種、植被種植、環(huán)境檢測(cè)、生態(tài)修復(fù)提供新思路。
Autonomous self-burying seed carriers for aerial seeding. Nature 614, 463–470 (2023).
E-seed自發(fā)鉆土過(guò)程
靈感源于自然 材料取于自然 結(jié)構(gòu)超越自然
團(tuán)隊(duì)分析了牻牛兒種子在適應(yīng)干旱氣候時(shí)進(jìn)化出的奇特的自發(fā)鉆土機(jī)制。牻牛兒種子的身體像鉆頭般緊密纏繞，尾部有一個(gè)長(zhǎng)而彎曲的尾巴。當(dāng)遇到濕氣時(shí)，鉆頭般的身體吸水后展開(kāi)并不斷旋轉(zhuǎn)，從而使種子頭部埋入土中。研究團(tuán)隊(duì)受此啟發(fā)，對(duì)人造種子載體E-seed的材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終開(kāi)發(fā)了一套包括化學(xué)清洗和定型等五步流程來(lái)制造種子載體。
人造E-seed種子與牻牛兒（Erodium）種子對(duì)比
自然界牻牛兒種子的成功鉆土過(guò)程對(duì)土壤和自然環(huán)境要求較高，為了使人造種子載體E-seed適用于更廣泛的環(huán)境，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了帶有三條尾巴的E-seed，它能更有效地推動(dòng)自身的直立提升鉆土成功率，從而超越牻牛兒種子的性能。另外，E-seed也可以通過(guò)改變種子身體大小、定制雙螺旋結(jié)構(gòu)等實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)景的需求。
雙螺旋版、大尺寸版、電子版等定制版E-seed
效果在自然中檢驗(yàn) 意義造福自然
在研制過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)通過(guò)大量的環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證人造種子載體E-seed對(duì)鉆土和發(fā)芽的促進(jìn)效果。為了進(jìn)一步了解實(shí)際應(yīng)用的可行性，研究人員同時(shí)對(duì)人造種子載體進(jìn)行了大量的實(shí)地測(cè)試。
“人造種子載體E-seed的研究有著重大意義，對(duì)自然環(huán)境有著深遠(yuǎn)影響”王冠云介紹。除了種子之外，研究人員證明了他們可以使用E-seed來(lái)傳播被用作天然殺蟲(chóng)劑的微生物、肥料和真菌。這種生物工程技術(shù)在現(xiàn)實(shí)世界中的應(yīng)用，對(duì)推進(jìn)生態(tài)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，可以解決多種問(wèn)題，比如避免山體滑坡、減少物種入侵、助力植被恢復(fù)等。E-seed還可以植入傳感器，并用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、協(xié)助自然勘探等。
E-seed可植入無(wú)線傳感器
浙大團(tuán)隊(duì)在田間進(jìn)行無(wú)人機(jī)播種實(shí)驗(yàn)
這項(xiàng)研究成果于北京時(shí)間2023年2月16日，作為封面文章刊發(fā)在國(guó)際頂級(jí)期刊《自然》。論文的共同通訊作者為我校王冠云特聘研究員、賓西法尼亞大學(xué)Shu Yang教授、雪城大學(xué)Teng Zhang教授、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)Lining Yao教授，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的Danli Luo為第一作者。浙大團(tuán)隊(duì)包括孫凌云教授、王冠云研究員，博士生酈家驥、陽(yáng)月等。
論文原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05656-3
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