新型生物降解“ 魔術貼”可貼在植物上實時監測環境并自動溶解

最近，意大利理工學院的科學家受攀援植物微爪結構的啟發，研發了一種柔軟的新型生物降解“ 魔術貼” （ 或者叫“ 智能夾子”）。

這種材料可以貼在植物上，用于對農作物的溫度、濕度和光照等進行實時環境監測，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傳感器，來監測植物內的葉片接近度，以及可降解鉤分子傳遞到葉子的微型系統。此外，他們還使用“ 軟機器人” 概念來驗證所設計的樣機， 以充分展示這種新型的可降解“ 魔術貼”如何在葉子上實現棘輪式的運動。

該團隊對植物天然微鉤的結構進行動力學建模解析后，從形態學和生物力學出發，將其植物特征用人工的相同方式進行表現。這些可降解魔術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，并且可適應相關應用。

該論文通訊作者、意大利理工學院機器人學副主任兼意大利理工學院仿生軟機器人實驗室負責人芭芭拉·馬佐萊表示，“通過這個研究項目，進一步證明了我們所提出的設計方案是可行的。這些解決方案不僅旨在監測地球的健康狀況，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環境前提下進行的?！?/p>

由于植物葉子十分脆弱，目前很少有設備可以直接將自身附著在植物葉子上，并使它們不受損壞。而意大利理工學院研究人員提出的這種新方案中，其化學膠基或基于夾子傳感器已經被證實，可通過附著在葉片來監測各項環境的數據（即水含量、溫度、植物生長、應力等）。

研究人員通過相關測試發現，這種微型鉤結構具有很大的附著能力，可以穩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粘劑。

由于這些生物降解“ 魔術貼”可以把葉片中微型系統“互相關聯”，因此，它可用于釋放藥品和殺蟲劑等對植物有益的物質。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“執行任務”結束后自動溶解， 而不污染環境， 這對自然環境來說是完全“綠色”的。

“這些微型掛鉤用途廣泛，使我們能夠創造一系列應用， 并申請了相關專利，”該論文第一作者、意大利理工學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測植物的氣候變化，以及溫度、濕度和光照，或將一些對植物有益的分子釋放到植物的系統當中?！?/p>

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

研究人員從植物相關特征及其運動中總結了一些規律，他們發現，植物遷徙的流動性與其生長的外部環境有關。為適應外部環境，植物必須不斷地使自身形態改變，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，當環境外部支撐不足時，這種植物也可以蔓延生長。

回到本次新發表的研究，該團隊使用光敏樹脂3D打印的的微型鉤與電子設備和光、溫度和濕度傳感器組裝形成統一的系統，創建智能夾子，再通過葉子的兩側對植物進行無線監控。最后， 同樣在相同結構的基礎上，提出了一種微型機器人系統，能夠使用微步在葉子表面上移動。

此外，該團隊還致力于開發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。