新型生物降解“ 魔術(shù)貼”可貼在植物上實時監(jiān)測環(huán)境并自動溶解

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，用于對農(nóng)作物的溫度、濕度和光照等進(jìn)行實時環(huán)境監(jiān)測，控制分子釋放到植物，甚至還可以在工作完成后自動溶解。

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，他們使用軟無線多參數(shù)傳感器，來監(jiān)測植物內(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“ 軟機器人” 概念來驗證所設(shè)計的樣機， 以充分展示這種新型的可降解“ 魔術(shù)貼”如何在葉子上實現(xiàn)棘輪式的運動。

該團(tuán)隊對植物天然微鉤的結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力學(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單，它們采用耐性材料，由高分辨率的3D打印機而成，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)院機器人學(xué)副主任兼意大利理工學(xué)院仿生軟機器人實驗室負(fù)責(zé)人芭芭拉·馬佐萊表示，“通過這個研究項目，進(jìn)一步證明了我們所提出的設(shè)計方案是可行的。這些解決方案不僅旨在監(jiān)測地球的健康狀況，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。”

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，可通過附著在葉片來監(jiān)測各項環(huán)境的數(shù)據(jù)（即水含量、溫度、植物生長、應(yīng)力等）。

研究人員通過相關(guān)測試發(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。這個固定的過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。

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)束后自動溶解， 而不污染環(huán)境， 這對自然環(huán)境來說是完全“綠色”的。

“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，“這種以微型勾的固定方式可用于監(jiān)測植物的氣候變化，以及溫度、濕度和光照，或?qū)⒁恍χ参镉幸娴姆肿俞尫诺街参锏南到y(tǒng)當(dāng)中。”

芭芭拉·馬佐萊團(tuán)隊一直專注此領(lǐng)域的研究，在這之前，就曾發(fā)表過以植物為啟發(fā)的卷須狀軟體機器人。2019年，以《基于可逆滲透驅(qū)動的基于可變剛度卷須狀軟體機器人》為題發(fā)表了論文。

研究人員從植物相關(guān)特征及其運動中總結(jié)了一些規(guī)律，他們發(fā)現(xiàn)，植物遷徙的流動性與其生長的外部環(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。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，而且，當(dāng)環(huán)境外部支撐不足時，這種植物也可以蔓延生長。

回到本次新發(fā)表的研究，該團(tuán)隊使用光敏樹脂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，再通過葉子的兩側(cè)對植物進(jìn)行無線監(jiān)控。最后， 同樣在相同結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了一種微型機器人系統(tǒng)，能夠使用微步在葉子表面上移動。

此外，該團(tuán)隊還致力于開發(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，并實施檢測植物病害情況。