新型生物降解“魔術(shù)貼” 可貼在植物上實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境并自動(dòng)溶解

新型生物降解魔術(shù)貼

最近，意大利理工學(xué)院的科學(xué)家受攀援植物微爪結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，研發(fā)了一種柔軟的新型生物降解“魔術(shù)貼”（或者叫“智能夾子”）。

這種材料可以貼在植物上，用于對(duì)農(nóng)作物的溫度、濕度和光照等進(jìn)行實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)測(cè)，控制分子釋放到植物，甚至還可以在工作完成后自動(dòng)溶解。

2021年10月7日，相關(guān)論文以《用于葉上傳感和傳送的類植物鉤狀微型機(jī)器》為題發(fā)表。

首先，研究人員研究了微型鉤的抓取力，然后，他們使用軟無(wú)線多參數(shù)傳感器，來(lái)監(jiān)測(cè)植物內(nèi)的葉片接近度，以及可降解鉤分子傳遞到葉子的微型系統(tǒng)。此外，他們還使用“軟機(jī)器人”概念來(lái)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的樣機(jī)，以充分展示這種新型的可降解“魔術(shù)貼”如何在葉子上實(shí)現(xiàn)棘輪式的運(yùn)動(dòng)。

從天然到人工的基于MH的植物葉片錨定裝置

該團(tuán)隊(duì)對(duì)植物天然微鉤的結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模解析后，從形態(tài)學(xué)和生物力學(xué)出發(fā)，將其植物特征用人工的相同方式進(jìn)行表現(xiàn)。這些可降解魔術(shù)貼的制作工程也很簡(jiǎn)單，它們采用耐性材料，由高分辨率的3D打印機(jī)而成，并且可適應(yīng)相關(guān)應(yīng)用。

該論文通訊作者、意大利理工學(xué)院機(jī)器人學(xué)副主任兼意大利理工學(xué)院仿生軟機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人芭芭拉·馬佐萊表示，“通過(guò)這個(gè)研究項(xiàng)目，進(jìn)一步證明了我們所提出的設(shè)計(jì)方案是可行的。這些解決方案不僅旨在監(jiān)測(cè)地球的健康狀況，特別是植物的健康狀況。而且，這是一種極為親和的方式，即在不破壞原本的生態(tài)環(huán)境前提下進(jìn)行的?！?/p>

由于植物葉子十分脆弱，目前很少有設(shè)備可以直接將自身附著在植物葉子上，并使它們不受損壞。而意大利理工學(xué)院研究人員提出的這種新方案中，其化學(xué)膠基或基于夾子傳感器已經(jīng)被證實(shí)，可通過(guò)附著在葉片來(lái)監(jiān)測(cè)各項(xiàng)環(huán)境的數(shù)據(jù)（即水含量、溫度、植物生長(zhǎng)、應(yīng)力等）。

研究人員通過(guò)相關(guān)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，這種微型鉤結(jié)構(gòu)具有很大的附著能力，可以穩(wěn)定地在植物的表面固定。這個(gè)固定的過(guò)程使得微型鉤像膏藥一樣在植物表面“貼住”，但并不需要任何化學(xué)粘劑。

通過(guò)MH結(jié)構(gòu)的微型機(jī)器人（基于MH的MiniBot）的在葉片表面上進(jìn)行棘輪狀驗(yàn)證樣機(jī)

由于這些生物降解“魔術(shù)貼”可以把葉片中微型系統(tǒng)“互相關(guān)聯(lián)”，因此，它可用于釋放藥品和殺蟲劑等對(duì)植物有益的物質(zhì)。并且，這種材料具有可溶性的特征，其原理類似于可降解塑料。因此，可以在“執(zhí)行任務(wù)”結(jié)束后自動(dòng)溶解，而不污染環(huán)境，這對(duì)自然環(huán)境來(lái)說(shuō)是完全“綠色”的。

新型生物降解魔術(shù)貼

“這些微型掛鉤用途廣泛，使我們能夠創(chuàng)造一系列應(yīng)用，并申請(qǐng)了相關(guān)專利，”該論文第一作者、意大利理工學(xué)院馬佐萊課題組研究員、伊莎貝拉·菲奧雷洛解釋說(shuō)，“這種以微型勾的固定方式可用于監(jiān)測(cè)植物的氣候變化，以及溫度、濕度和光照，或?qū)⒁恍?duì)植物有益的分子釋放到植物的系統(tǒng)當(dāng)中?！?/p>

卷須狀軟體機(jī)器人

芭芭拉·馬佐萊團(tuán)隊(duì)一直專注此領(lǐng)域的研究，在這之前，就曾發(fā)表過(guò)以植物為啟發(fā)的卷須狀軟體機(jī)器人。2019年，以《基于可逆滲透驅(qū)動(dòng)的基于可變剛度卷須狀軟體機(jī)器人》為題發(fā)表了論文。

研究人員從植物相關(guān)特征及其運(yùn)動(dòng)中總結(jié)了一些規(guī)律，他們發(fā)現(xiàn)，植物遷徙的流動(dòng)性與其生長(zhǎng)的外部環(huán)境有關(guān)。為適應(yīng)外部環(huán)境，植物必須不斷地使自身形態(tài)改變，比如植物的葉子閉合或攀援植物的卷須生長(zhǎng)。植物的這些組織能夠盤繞在外部支撐物上，不斷地自我生長(zhǎng)，而且，當(dāng)環(huán)境外部支撐不足時(shí)，這種植物也可以蔓延生長(zhǎng)。

回到本次新發(fā)表的研究，該團(tuán)隊(duì)使用光敏樹脂3D打印的的微型鉤與電子設(shè)備和光、溫度和濕度傳感器組裝形成統(tǒng)一的系統(tǒng)，創(chuàng)建智能夾子，再通過(guò)葉子的兩側(cè)對(duì)植物進(jìn)行無(wú)線監(jiān)控。最后，同樣在相同結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了一種微型機(jī)器人系統(tǒng)，能夠使用微步在葉子表面上移動(dòng)。

此外，該團(tuán)隊(duì)還致力于開發(fā)基于微型勾的貼片以穿透植物葉片，以便將有效載荷輸送到植物組織，并實(shí)施檢測(cè)植物病害情況。