“被 Nature 选中的封面图片是在审稿期间，我们补做的一个发芽试验。大概发芽试验进行一周多以后，傍晚下了一场迟到的夏雨。我觉得雨后的菜芽特别生动，就按下快门记录下了这一刻。”谈及这张登上 Nature 封面的图片，美国卡内基梅隆大学助理教授 姚力宁 回忆道。

她认为，封面故事很完美，这是一项“受自然启发、从自然取材、为自然设计”的研究。

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图丨Nature 当期封面（来源：Nature）

         

在农业以及森林灾后绿化，人们经常采用传统的空中播种方式。但空中播种与地面播种相比，面临最大的挑战是发芽率较低。造成这个现象的部分原因是，当种子暴露在空气中，它可能更容易受到干旱、暴风等极端天气的影响；另一方面，鸟类等动物也会吃掉部分种子。

         

那么，是否有方法可以避免这类的问题呢？自然界中有些草本植物的种子可以靠自身的结构和材料特性进行“自发钻土”，比如牻牛儿苗（Erodium）的种子。

         

也就是说，在下雨的时候，本来在土壤表面的种子可以识别到环境的变化，然后把自己“埋进”土壤里。

         

受到这个自然现象的启发，卡内基梅隆大学、雪城大学、宾夕法尼亚大学、浙江大学、埃森哲实验室 等单位合作，研发了一种可生物降解的自钻土机器人 E-seed。它 作为一种新型种子载体，类似于“运载火箭”，可以在空中传播不同类型的种子，例如蔬菜种子、植被种子，也可以传播微生物、肥料和真菌等。

与自然界的牻牛儿苗种子相比，研究人员通过相关实验发现，自钻土机器人 E-seed 的性能优势显著。 其在平坦土壤条件下，种子钻土成功率可达 80%。 并且，E-seed 最大程度可让长度大概在 11 毫米、重量约为 72 毫克的种子（其大小与白皮松树种子相当）实现自钻土。

         

该技术能够解决自然生态中的多种问题，比如避免山体滑坡、减少物种入侵、助力植被恢复等。此外，这种“运载火箭”还能植入传感器，用于环境监测、协助自然勘探等。

动图丨无人机对 E-seed 进行空中播种（来源：该团队）

不仅是设计方案，这种自钻土机器人的材料和能源供给同样值得关注。可降解的智能材料在环保以及农业等自然界中的应用，对于人类与地球的和谐共处具有重大意义。

         

“智能的传感和驱动不一定必须用电或者电池。自然界里的可再生能源，包括风、水、阳光等，都是可利用的能量。我们的智能种子，就是靠雨水或者空气中的水分来驱动的。” 姚力宁 说。

         

审稿人对这篇论文给出了极高的评价，认为这是一项极富创意与应用价值的研究工作，从自然获取灵感，为自然而设计。

图丨相关论文（来源：Nature）

         

近日，相关论文 以《面向空中播种的自发钻土式种子载体》 （ Autonomous self-burying seed carriers for aerial seeding ）为题，以封面文章形式发表在 Nature  上[1]。

卡内基梅隆大学罗丹荔为该论文第一作者，浙江大学王冠云、宾夕法尼亚大学杨澍、雪城大学张腾、卡内基梅隆大学姚力宁为该论文的共同通讯作者。 

         

在平坦土壤种子自钻土成功率达 80%

         

据悉，该研究最早的概念来源于 姚力宁 在麻省理工学院读博期间的毕业论文课题，关于自然界里靠空气中水分驱动的植物种子研究。

         

该研究受自然启发，但团队成员也在努力地克服自然方案中的不利因素。牻牛儿苗种子成功地进行“自发钻土”，需要特定的土壤条件，因此对自然环境提出了较高的要求。

动图丨E-seed 种子自发钻土（来源：该团队）

         

考虑到让 E-seed 适应更多的应用场景，该团队设计了一种木材制作而成的、带着三条尾巴的自钻土机器人。这种设计是为了锚定效果更强，并更好地进行旋转和增加推力。

         

E-seed 的“智能”体现在对环境的自动识别与响应。当环境中的湿度增加时，E-seed 的尾巴也随之发生变化——通过变形和伸展，产生“钻力”把种子带入到土壤中；当环境干燥时，E-seed 头部的“倒刺”又可以将种子锁定在土壤中。

动图丨E-seed 对环境的自动识别与响应（来源：该团队）

在研究过程中，团队成员对木材的刚度以及曲率进行了实验。他们以天然白栎木材为测试对象，以多种方式成型以及干燥的方式，让木材的曲率相应改变。这样，木材在维持 36% 的刚度的情况下，还能同步达到 45 倍的弯曲曲率。之后，研究人员把木材放置在 3D 打印模具上，进行自钻土机器人 E-seed 的制作。

         

通过上述情况的优化，他们对 E-seed 的性能与牻牛儿苗等吸湿性种子进行了比较。随后发现，在测试条件相同的条件下，E-seed 性能显著优于其他种子。

图丨E-seed 自钻土机器人（来源：该团队）

平坦的土壤，是牻牛儿苗存活成功率相对较低的自然环境。研究团队的实验结果显示，在该条件下，E-seed 优势显著。在经过两次水合脱水循环后，自钻土机器人的钻土成功率高达 80%。与之形成明显对比的是，牻牛儿苗种子的成功率是 0。

         

据悉，为适应更多不同的应用场景，自钻土机器人还可利用不同的方式进行“变身”，例如调整种子体积、设计不同的双螺旋结构等。

         

罗丹荔表示，落实这样一个先驱性的概念经历了大量的实验。团队成员从概念入手，先力求复制这个神奇的自然现象，再用设计引导制造，在自然的基础上增加实用性，并用力学分析和模拟证明“人造种子”的优越性能。     

   

“每一步我们都经历了实验失败的失落，但正是因为这些经验和坚持不懈的重复及改进，我们才得以将项目推进到现在的高度。”她说。

图丨自发钻土种子载体的生物启发设计（来源：Nature）

         

下一步，该团队希望进一步优化在不同土壤下的钻土成功率，以及增强种子和载体连接的强度以抵抗暴雨的冲击。此外，需要研究大规模生产的可行性。“希望进一步接触生态、农业领域的专家，找到这项研究最适合的应用场景。” 张腾 说。

         

为种子的个性化功能定制设计提供新的设计思路

         

该研究历时五年多的时间，由卡内基梅隆大学的形变物质实验室，包括论文第一作者罗丹荔、当时的博士后王冠云以及助理教授姚力宁，首先提出了 E-seed 的设计概念，并进行物理设计制造，以及完成了大部份的实验。  

         

形变物质实验室主要研究方向为可编程和智能变形材料、计算和数字生产、设计实践等。（DeepTech 此前报道：浙大校友将智能形变材料用于意大利面，降低烹饪碳足迹且节省 60% 包装空间，有望用于未来太空食品）

         

图丨自钻土机器人 E-seed 的设计（来源：该团队）

         

雪城大学的 张腾 主导了数字建模和部分机械力学的分析工作，宾夕法尼亚大学的 杨澍 从材料、结构和总体概念的角度指导和参与了论文的写作。

         

王冠云入职浙江大学后，组建团队继续开展后期的试验内容，尤其是户外的空中播种测试以及部分发芽试验。除此以外，埃森哲实验室的研究人员也贡献了专家用户调研以及概念应用的探讨。

图丨E-seed 种子钻土与发芽测试（来源：该团队）

         

在该研究的中后期阶段，研究的相关进程受到了疫情封控的影响，课题组成员不得不将实验材料、实验设备转移到家中，分别建立了“Home Lab”继续开展研究。

         

有些涉及多人使用的材料和设备，他们都会尽快完成自己的实验或制作部分，送到下一位成员的家门口，避免面对面接触。项目后期，因大多数成员分散在不同国家和城市，团队通过定期线上会议，确保了高频次、高效沟通，并未影响项目进度。

         

王冠云表示：“该研究为种子的个性化功能定制提供了新的设计思路，期待未来聚焦几类应用场景，针对具体问题开发相应的人造种子，并进行广泛的播种与种植实验。”

         

参考资料：

1.Luo, D., Maheshwari, A., Danielescu, A. et al. Autonomous self-burying seed carriers for aerial seeding. Nature 614, 463–470 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05656-3

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