仿造植物的具身智能，复旦最新成果刊于《自然·计算科学》

通过呈现手性螺旋形貌的旱地植物，复旦大学智能机器人与先进制造创新学院/航空航天系徐凡教授团队揭示了生命手性的秘密,并且根据其原理成功构建了具有环境智适应特性的仿生具身智能植株。

这一智能植株无需外部能源或芯片控制，可像生命体般智能感知环境变化，自发调整形貌以优化功能，在自适应液滴收集和定向输运方面具有应用潜力。

Science创刊125周年提出了125个重要科学问题，其中之一就是“为什么生命需要手性？”从失水萎缩后表面形成手性螺旋形貌的百香果，到受水面浮力影响而生长形貌各异的荷叶，近年来，徐凡团队聚焦软物质形貌力学研究，旨在揭示自然界中各种生长、萎缩、手性、曲率与褶皱等形貌力学的基本科学问题。

4月21日，团队的相关研究论文以封面文章形式发表在《自然·计算科学》（Nature Computational Science）杂志上，并被选为“研究简报”（Research Briefing）专题报道。

突破学科界限，从力学视角解密叶片手性螺旋形貌

徐凡的研究源于生活。2023年，他在新疆旅游的他观察到路边的旱地植物，对其手性螺旋扭转的叶片形貌产生了兴趣。

“不同于普通植物，这些旱地植物的叶片为什么总是像DNA一样具有手性螺旋构形？这一形态结构是如何形成的？具有怎样的生命功能？”带着一连串疑问，徐凡请教了诸位植物学家并查阅相关文献。

他发现，沙百合、宽叶弹簧草等诸多旱地植物的叶片都呈现出相似的手性螺旋形貌，其中以原产自澳大利亚南部沙漠中的螺旋金钗木最为典型。

植物学主要关注微观分子层面，比如基因表达如何影响后天形貌成形，而从力学视角，则可以探究宏观层面中手性螺旋结构形成背后有何生物力学奥秘。

法国发育生物学家Thomas Lecuit曾说:“只要有形状的地方，就有力在发挥作用。”徐凡团队希望探究的，正是生命结构形貌中力的基本作用。

徐凡猜想，按照达尔文自然选择学说中的“适者生存”原则，叶片手性螺旋形貌可能能够提高叶片集水效率和抗风能力，有利于旱地植物在干旱缺水、风沙运动活跃的沙漠严酷环境中存活。

为了验证猜想，徐凡团队根据在电镜下观察到的螺旋金钗木具有双层叶片结构，通过3D打印液晶弹性材料（LCE）仿生制备叶片双层结构，并比较仿生手性螺旋扭转叶片植株与平直叶片植株的集水与抗风效率。实验发现，与平直叶片相比，手性螺旋扭转叶片在雨水收集和抵抗强风方面均具有显著优势。

融合具身智能理念，精准调控仿生叶片形貌

猜想初步证实后，新的问题接踵而至：如何调控仿生植株的手性螺旋扭转形貌，使其实现理想的集水和抗风能力？

“尽管不是如大脑一样高级的智能，但一个小小的细胞也具有智能，能够对压力、水分、温度、化学、光照等环境刺激做出自发响应，这就是具身智能。”徐凡介绍，与生命体中的细胞类似，用于仿生的活性LCE材料本身也具有智能。将单个材料基元的具身智能与事物整体的“神经中枢”智能结合起来，就能形成一个高级的复杂智能体系。

在被加热时，LCE棒状分子的排列取向会发生变化，LCE双层结构就产生了弯曲、螺旋和扭转三种情况。就好比在操场上排队，学生排成一列和自由活动时，形成的队伍形态和序构是不一样的。

经过一系列精密推理计算，团队发现双层结构变形结果取决于两层材料之间的指向矢角度差异，即LCE分子的整体取向，并成功构建了LCE双层条带弯曲、扭转和螺旋形貌形成的力学理论模型，与仿生实验和数值计算结果相符。

团队绘制的LCE双层条带弯曲、扭转和螺旋形貌选择相图，揭示了在不同指向矢角度分布下，LCE双层条带受热后产生的变形情况。例如，当上下两层材料指向矢角度之和等于180°时，双层结构将只发生手性扭转变形；而当上下层指向矢分别沿长度和宽度方向时，将发生纯弯曲变形；其余指向矢分布情况则扭转和弯曲变形同时发生。

只需根据形貌演化相图调控LCE双层条带之间的指向矢角度，就能获得想要的变形结果。徐凡说：“相当于我们整理了一套菜谱，可以根据现实需要做出不同的菜。”实验表明，手性扭转构形的叶片的水分纵向输运路线最接近直线，且不易弯折，因此集水效率最高，在强风等极端环境下较平直叶片的集水效率提升了一倍。

打造环境智适应仿生植株，实现高效抗风集水

在此研究成果基础上，徐凡团队成功构建了具有环境智适应特性的仿生具身智能植株——可根据环境刺激自发调控形貌。在光照下升温后，仿生植株叶片将形成手性螺旋扭转形貌，能够提升抗倒伏能力。到了下雨天，雨水沿着曲率叶片表面输送到根部，当收集的水分足够多时，叶片表面温度降低，就会自发解旋，防止过度集水。

具有环境智适应特性的仿生植株在自适应液滴收集和定向输运方面具有应用潜力，有望为干旱地区的土壤改善和智能农业提供新的思路和解决方案。下一步，团队将探究不同环境、不同材料对仿生具身智能植株的集水和抗风能力的影响，尝试增加光能收集功能，同步实现物质收集与能源收集。也许，在螺旋金钗木完美的手性螺旋形态背后，可能还蕴含着其他更丰富的生命功能奥秘。

研究得到国家自然科学基金委、上海市基础研究特区计划、上海市教委等资助。