旱生植物的手性扭转智慧
沙漠严酷环境中的旱生植物为了生存，往往进化出独特的生命结构形貌，例如澳大利亚南部沙漠中的螺旋金钗木，其叶片呈现出完美的手性扭转螺旋结构（图1）。手性作为生命的基本特征之一，其重要性已被科学界广泛关注。Science创刊125周年时，将“为什么生命需要手性”列为125个重要科学问题之一。旱生植物的手性扭转结构不仅优雅，更在功能上为其提供了何种生存优势？
图1. 旱生植物螺旋金钗木。
近日，复旦大学徐凡教授团队揭示了手性扭转结构既能高效收集液滴，又能有效抵抗风沙侵袭，并开发出一种环境智适应仿生具身智能植株，可根据环境变化自主调整形态，从而实现可调控自适应集水和抗倒伏能力。研究成果以《活性扭转驱动自适应液滴收集》(“Active twisting for adaptive droplet collection”)为题，作为封面文章发表于《Nat. Comput. Sci.》(2025, 5, 313-321)，被选为“研究简报”（Research Briefing）专题报道。
手性螺旋形貌形成机制
通过观察弹簧草、螺旋金钗木等旱生植物（图2(a)），研究人员发现其手性螺旋形貌的形成与层间生长应变错配密切相关。受此启发，研究人员设计了液晶弹性体（LCE）双层结构，结合直写式3D打印技术调控上下层液晶分子指向矢取向（图2(b)），可在热、光激励下自发产生手性扭转、弯曲和螺旋变形。研究人员基于非欧板壳理论构建了力学模型来定量预测形貌选择及演化全景。理论分析表明，三种模态的选择仅取决于初始指向矢方向（图2(c)-(d)）。当上下层指向矢角度之和等于180°时，发生手性扭转变形；当上下层指向矢分别沿长度和宽度方向时，发生弯曲变形；其他指向矢分布则产生扭转和弯曲的耦合变形。研究人员绘制了LCE指向矢取向与变形形貌之间的模态选择相图（图3）。
图2. 利用3D打印制备环境智适应仿生“植株”。通过设置LCE双层条带指向矢取向，可形成如同弹簧草、螺旋金钗木等植物叶片的手性扭转、弯曲和螺旋形貌。
图3. 双层条带指向矢角度与变形模态相图。
仿生具身智能植株设计
植物叶片的手性扭转结构是对严苛沙漠环境的一种智适应进化。为验证这一猜想，研究人员制备了一种仿生具身智能LCE“植株”（图4(a)-(d)）。这种人造“植株”可像生命体般智能感知环境变化：温度升高时，原本平展的结构会自发手性扭转变形，将水滴定向输运至根部；当降雨导致叶面温度下降时，系统会自动解旋，降低水分收集；环境冷却至室温后，结构则恢复初始平展状态。更为精妙的是，还可以通过激光调控局部特定区域手性形貌（图4(e)-(h)）。与自然植物需要漫长生命周期才能完成形态调整不同，这一人工系统能在数十秒内完成形态重构。除此以外，这种手性扭转构形通过增大扭转角度可显著提升结构抗弯刚度（图4(i)-(j)），使其在强风环境中依然保持直立。
视频1. 活性“植物”自适应扭转变形。
图4. 通过改变环境激励，可调控活性LCE“植株”整体或局部叶片扭转程度，同时改变叶片抗弯刚度。
环境智适应液滴收集
利用手性扭转曲率对液滴的引导作用，研究人员实现了高效的水分定向输运和收集（图5(a)-(b)）。对比实验结果显示，无论是单层结构还是多层级结构，这种仿生系统都展现出超越传统设计的集水性能（图5(c)-(d)）。即使在强风环境中，该系统仍然能够保持高效的水分收集能力（图5(e)）。通过调控环境温度或施加局部光照激励，研究人员实现了实时调节叶片扭转程度，从而按需优化水分收集效率（图5(f)-(g)）。
图5. 液滴收集性能与自适应调控：叶片通过曲率定向液滴输运实现高效集水，基于热场和激光刺激动态调节集水量，具有环境智适应抗风集水优势。
视频2. 活性扭转实现自适应集水。
视频3. 可调控液滴收集。
总结
本研究发现旱生植物叶片手性扭转形貌可显著提升雨水收集和抗风性能，建立了预测和调控双层条带结构形貌演变的理论模型，揭示了手性螺旋叶片与环境适应性功能之间的内在联系。研究结果不仅为理解生物形貌选择提供了新视角，还为仿生具身智能集水器件的理性设计提供理论指导。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。
作者简介：
该研究由复旦大学徐凡教授团队独立完成。复旦大学“超级博士后”杨易凡、博士生戴之峻和副研究员陈禹臻为论文共同第一作者，徐凡教授是论文的通讯作者。研究得到国家杰出青年科学基金、上海市基础研究特区计划、上海市教委等资助。复旦大学徐凡教授团队长期招聘博士后和博士生（详见https://morphomech.com/position），欢迎有意者联系。
http://doi.org/10.1038/s43588-025-00786-w
来源：高分子科学前沿
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