南洋理工PNAS: 植物叶片自然启发的折叠机理与仿生

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针对这一独特的现象，新加坡南洋理工大学 K. Jimmy Hsia (夏焜) 教授与美国布朗大学/麻省理工学院 Subra Suresh教授 以及英国伯明翰大学 Mingchao Liu (刘明超) 博士共同开展了深入研究，揭示了棕竹叶片失水诱导的折叠机制，展现了自然界中植物叶片无需复杂机械结构就能实现精确折叠的能力，并探讨了其在仿生工程中的应用前景。相关研究以“Dehydration-induced corrugated folding in Rhapis excelsa leaves”为题发表在知名国际期刊 Proceedings of the National Academy of Science 《美国国家科学院院刊》上。

研究首先着眼于叶片失水导致的形态变化机制。实验观察表明，叶片的折叠行为与干燥过程中的水分流失直接相关。通过对叶片失水过程的质量变化和折叠角度进行量化分析，研究发现二者之间存在线性关系（ 图1 ）。研究进一步通过区分叶片边缘和表面的失水情况，并基于渗透和蒸发导致水分流失的机制，开发出了一个理论框架，准确预测了实验观察到的质量变化（ 图2 ）。叶片的不同部分失水速率的差异性，以及这些发现如何被用来统一分析，展示了叶片形态与水分流失之间复杂的相互作用。

图1. 叶片失水过程。(A) 叶片几何示意图和截面形状展示。 (B) 叶片折叠角度随时间的变化。 (C) 失水量随时间的变化。 (D) 失水量与折叠角度的线性关系。

图2. 叶片通过截面(A)和表面(B)的失水速率对比。 不同长度的叶片的实验测量结果和数学模型相符合。

研究的一个关键的发现是棕竹叶片中具有关键铰链作用的“驱动细胞”(hinge cells)的识别（ 图3A,B ），这些细胞沿主叶脉的一侧分布，在脱水时体积发生显著变化，导致叶片产生非均匀应变，进而形成尖锐的折叠。有限元模拟（ 图3C-G ）展示了这些细胞的分布和特性是如何促成叶片中的折叠模式的形成，为植物形态学提供了基于机械原理的可能解释。此外，研究还探讨了这种折叠行为的潜在生物学意义，如有利于维持结构刚度和保存水分等（ 图4 ）。

图3. 棕竹叶片折叠的力学机制。(A-B) 叶片截面细胞结构。位于主叶脉旁的驱动细胞（HC）失水48h后发生显著收缩引起折叠，形成铰链结构。 (C-G) 失水引发折叠过程的有限元模拟。对比了有无”驱动细胞”对折叠的显著影响(C-D)、”驱动细胞”部分的厚度对折叠效率的影响 (E)，以及上下层失水差异带来的叶片弯曲(F)，共同导致叶片失水后展现出的最终形貌 (G)。

该研究的影响不仅限于植物生物学领域，也为仿生工程提供了新的思路。基于棕竹叶片中观察到的折叠机制，研究人员用Ecoflex-Polyacrylamide水凝胶复合材料设计并制造了软材料仿生折叠结构（ 图5 ），展示了它在湿度传感器到水分调控的软结构“雨伞”装置中呈现的可能性。这些装置展示了利用自然启发的折叠机制为仿生工程解决方案开发的潜力。

图4. 叶片折叠的生物学意义。(A) 折叠可以增强叶片的刚度。 (B) 与失水后自然发生折叠的叶片相比，被限制折叠的叶片失水速率显著变大。

图5. 水凝胶复合材料制成的仿生结构。(A) 湿度传感器。 (B) 水分调控的可折叠、打开的仿生“雨伞”。

新加坡南洋理工大学博士生 Kexin Guo ( 郭可心) 为本文第一作者，英国伯明翰大学助理教授 Mingchao Liu ( 刘明超) 、美国布朗大学 / 麻省理工学院 Subra Suresh教授 和新加坡南洋理工大学 K. Jimmy Hsia ( 夏焜) 教授 为本文共同通讯作者，英国牛津大学 Dominic Vella 教授也参与了该研究并做出了重要贡献。