最近，意大利理工学院（Istituto Italiano di Tecnologia，IIT）的科学家受攀援植物微爪结构（Galium aparine）的启发，研发了一种柔软的新型生物可降解“魔术贴”（或者叫“智能夹子”）。

这种材料可以贴在植物上，用于对农作物的温度、湿度和光照等进行实时环境监测，控制分子释放到植物，甚至还可以在工作完成后自动溶解。

图丨新型生物降解魔术贴
 

2021 年 10 月 7 日，相关论文以《用于叶上传感和传送的类植物钩状微型机器》（Plant-like hooked miniature machines for on-leaf sensing and delivery）为题发表在 Nature 子刊 Communications Materials 上^[1]。

图丨相关论文

首先，研究人员研究了微型钩的抓取力，然后，他们使用软无线多参数传感器，来监测植物内的叶片接近度，以及可降解钩分子传递到叶子的微型系统。此外，他们还使用“软机器人”概念来验证所设计的样机，以充分展示这种新型的可降解“魔术贴”如何在叶子上实现棘轮式的运动。

该团队对植物天然微钩的结构进行动力学建模解析后，从形态学和生物力学出发，将其植物特征用人工的相同方式进行表现。这些可降解魔术贴的制作工程也很简单，它们采用耐性材料，由高分辨率的 3D 打印机而成，并且可适应相关应用。

图丨从天然到人工的基于 MH（micro hook）的植物叶片锚定装置

 

该论文通讯作者、IIT 机器人学副主任兼 IIT 仿生软机器人实验室负责人芭芭拉·马佐莱（Barbara Mazzolai）表示，“通过这个研究项目，进一步证明了我们所提出的设计方案是可行的。这些解决方案不仅旨在监测地球的健康状况，特别是植物的健康状况。而且，这是一种极为亲和的方式，即在不破坏原本的生态环境前提下进行的。”

由于植物叶子十分脆弱，目前很少有设备可以直接将自身附着在植物叶子上，并使它们不受损坏。而 IIT 研究人员提出的这种新方案中，其化学胶基或基于夹子传感器已经被证实，可通过附着在叶片来监测各项环境的数据（即水含量、温度、植物生长、应力等）。

 

图丨通过 MH 结构的微型机器人（基于 MH 的 MiniBot）的在叶片表面上进行棘轮状验证样机
 

研究人员通过相关测试发现，这种微型钩结构具有很大的附着能力，可以稳定地在植物的表面固定。这个固定的过程使得微型钩像膏药一样在植物表面“贴住”，但并不需要任何化学粘剂。

由于这些可生物降解“魔术贴”可以把叶片中微型系统“互相关联”，因此，它可用于释放药品和杀虫剂等对植物有益的物质。并且，这种材料具有可溶性的特征，其原理类似于可降解塑料。因此，可以在“执行任务”结束后自动溶解，而不污染环境，这对自然环境来说是完全“绿色”的。

图丨新型生物降解魔术贴

“这些微型挂钩用途广泛，使我们能够创造一系列应用，并申请了相关专利，”该论文第一作者、 IIT 马佐莱课题组研究员、 伊莎贝拉·菲奥雷洛（Isabella Fiorello）解释说，“这种以微型勾的固定方式可用于监测植物的气候变化，以及温度、湿度和光照，或将一些对植物有益的分子释放到植物的系统当中。”

图丨卷须状软体机器人

芭芭拉·马佐莱团队一直专注此领域的研究，在这之前，就曾发表过以植物为启发的卷须状软体机器人。2019 年，在 Nature Communications 以《基于可逆渗透驱动的基于可变刚度卷须状软体机器人》（A variable-stiffness tendril-like soft robot based on reversible osmotic actuation）为题发表了论文^[2]。

研究人员从植物相关特征及其运动中总结了一些规律，他们发现，植物迁徙的流动性与其生长的外部环境有关。为适应外部环境，植物必须不断地使自身形态改变，比如植物的叶子闭合或攀援植物的卷须生长。植物的这些组织能够盘绕在外部支撑物上，不断地自我生长，而且，当环境外部支撑不足时，这种植物也可以蔓延生长。

回到本次新发表的研究，该团队使用光敏树脂 3D 打印的的微型钩与电子设备和光、温度和湿度传感器组装形成统一的系统，创建智能夹子，再通过叶子的两侧对植物进行无线监控。最后，同样在相同结构的基础上，提出了一种微型机器人系统，能够使用微步在叶子表面上移动。

此外，该团队还致力于开发基于微型勾的贴片以穿透植物叶片，以便将有效载荷输送到植物组织，并实施检测植物病害情况。


参考：

1.Fiorello, I., Meder, F., Mondini, A. et al.  Commun Mater 2, 103 (2021). https://doi.org/10.1038/s43246-021-00208-0

2.Must, I., Sinibaldi, E. & Mazzolai, B.  Nat Commun 10, 344 (2019).

https://doi.org/10.1038/s41467-018-08173-y
https://phys.org/news/2021-11-biodegradable-version-velcro-climbing.html