工程魔法木制种子载体模仿自埋种子的行为

种子如何植入土壤中似乎很神奇。以Erodium的某些品种为例，其紫色、粉红色或白色的五瓣花看起来像天竺葵。

这些植物的种子被包裹在细而紧密缠绕的茎中。在下雨或高湿度期间，开瓶器状的茎会松开并将种子拧入土壤，在那里它可以生根，并且免受饥饿的鸟类和恶劣环境条件的影响。

受Erodium魔法的启发，卡内基梅隆大学Cooper-Siegel人机交互助理教授LiningYao与一个合作团队合作设计了一种可生物降解的种子载体，称为E-seed。

他们的种子载体由木单板制成，可以在难以进入的地区进行空中播种，并可用于各种种子或肥料，并适应许多不同的环境。这是兼职农民的女儿姚自攻读博士学位以来一直在思考的一个想法。2010年代中期麻省理工学院的学生。

“几十年来，人们在力学、物理学和材料科学方面对种子埋藏进行了大量研究，但直到现在，还没有人创造出一个等效的工程，”计算机科学学院人机变形物质实验室主任姚说。互动研究所。“种子载体研究因其潜在的社会影响而特别有益。我们对可能对自然产生有益影响的事物感到兴奋。”

该团队的研究发表在《自然》杂志上。

MorphingMatterLab前研究助理、该论文的第一作者DanliLuo表示，种子载体的设计和构造受到了Erodium在适应干旱气候时进化的自埋机制的启发。

Erodium的茎形成一个紧密缠绕、携带种子的身体，顶部有一条长而弯曲的尾巴。当它开始展开时，扭曲的尾巴与地面接触，导致种子载体将自身推直。进一步展开会产生扭矩以钻入地下，将种子埋入地下。

但是Erodium的单尾载体只适用于有裂缝的土壤。为了在更广泛的环境中使用他们的E-seed载体，研究团队开发了一种三尾版本，可以更有效地推动自己直立。

宾夕法尼亚大学的材料科学家兼合著者杨舒说：“几何形状可以增强材料的功能，超出大自然提供给我们的功能。它还使设计具有多种用途，可以应用于其他材料。”

研究人员考虑了许多可能的载体材料，包括水凝胶、纸张和其他形式的加工纤维素。他们最终选择了白橡木贴面——一种在匹兹堡CMU校园附近的Schenley公园盛产的树种——广泛用于家具。与Erodium一样，单板对水分有反应。

“种子对雨有一种神奇的反应，”姚说。

姚在内蒙古长大，她很早就从父母那里了解到根据降雨前景来安排播种时间的重要性。在这个项目期间，她对这个时机的赞赏越来越多，因为研究人员对载体进行了大量现场测试，而不仅仅是实验室测试。这意味着他们必须密切关注天气，在即将下雨时将航母赶到试验场。

该团队开发了一个五步工艺，包括化学清洗和机械成型来制造种子载体。尽管载体目前是在实验室中制造的，但研究人员预计会将这一过程适应工业规模。

“通过数字设计和制造方法制造电子种子对于我们的长期目标至关重要，”MorphingMatterLab前博士后研究员GuanyunWang说，他在浙江大学担任教职后继续从事该项目。

除了种子，研究人员还证明他们可以使用载体来运送线虫(用作天然杀虫剂的蠕虫)、肥料和真菌。也正在进行调整它们以种植幼苗的工作。

“深入了解木材力学和播种动力学可以改进设计和优化，”锡拉丘兹大学机械和航空航天工程副教授张腾说，他进行了建模和仿真来解释木材执行器的工作机制和E-seed三尾设计的好处。

这些应用之所以成为可能，要归功于埃森哲实验室的AditiMaheshwari和AndreeaDanielescu进行的一项用户研究，他们采访了重新造林、农业和土壤健康管理方面的主题专家，以告知E-seed在现实世界中的适用性。

“了解E-seed等生物工程技术在现实世界中的应用对于推进生态设计至关重要，”埃森哲实验室研究与开发负责人Maheshwari说，他致力于可持续材料和环境。

埃森哲实验室未来技术研发组总监Danielescu表示，E-seed可以提高生态恢复力。

“像E-seed这样的技术可以帮助我们解决现实世界中的问题——帮助我们避免山体滑坡，减少入侵物种的影响，并改善难以到达的地方的重新造林，”Danielescu说。

载体还可以用于植入用于环境监测的传感器。他们还可以通过植入根据温度波动产生电流的设备来协助能量收集。

“农业、林业和其他学科对研究的兴趣令人鼓舞，”姚说。但也许最重要的支持之一来自与她关系密切的消息来源：她的父亲，兼职农民。

“当我向他提到这个想法时，他马上就明白了。”