杜鹃花能教会我们什么机器人技术?

在一个寒冷的冬日，默尼什·厄普曼尤和他的儿子在波士顿郊外的家附近散步。他们经过一丛杜鹃花丛，浓密的绿叶蜷曲成细长的花管，软绵绵地挂在花茎上。它看上去像是死了，或者正在死去。

但几天后，在一个温暖的日子里，当东北大学机械与工业工程教授厄普曼尤(Upmanyu)经过这个地方时，这家工厂似乎又恢复了生机。树叶平展开来，向上向着太阳升起。他的儿子有一个问题:为什么?

“我没有答案，”厄普曼尤说。但他决定找出答案。

Upmanyu研究不同材料的结构特性以及它们对刺激的反应，用于微电子或机器人系统。在最近一期《皇家学会界面杂志》(Journal of the Royal Society Interface)的封面上发表的一篇论文中，厄普曼尤和他的同事们研究了杜鹃属植物叶片卷曲和下垂的力学方面。

“在机器人技术和微电子设备中，你想要设计的开关可以根据一些刺激，比如温度、光线，甚至是触摸来进行接触和断开连接，”Upmanyu说。“这种理解对设计智能、主动结构非常重要。”

在这个特殊的例子中，它可以归结为水的运动，Upmanyu说。当温度下降时，水从茎进入叶子，导致茎下垂。水不均匀地分布在叶子上，当它结冰时，会导致叶子的顶部膨胀，底部收缩。这使得叶子开始卷曲。

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如果是这样的话，叶子就会均匀地向下卷曲，形成一个倒置的杯状。这项研究的主要作者、中国科技大学教授王海龙说，导致烟叶卷成紧密雪茄的原因是它们从烟叶中心向下延伸的硬脊骨或中肋骨。

2010年从东北大学获得博士学位的王说:“叶子不能在半圆形结构中弯曲，它只能沿着僵硬的中脉选择的方向弯曲。”“曲率只沿一个方向发展，但它被放大了。”

当研究人员从杜鹃花的叶子上剪下一条条的叶子，把它们从中脉上分开时，它们向各个方向松散地卷曲和扭曲。但由于中肋骨限制了卷曲，这些力量被重新定向到一个方向，导致更紧密的卷曲。

“这对我来说是一个惊喜，”参与这项研究的弗吉尼亚理工大学生态学家Erik Nilsen说。“我认为移动的动力是水平于叶子上的，因为叶子的边缘向下卷曲。”

尼尔森说，这种卷曲的生物学原因是为了帮助这些植物在冬天生存。

杜鹃虽然生长在艰苦的高山环境中，但整个冬天都保持着绿叶。当周围的落叶树落叶时，更多的阳光照射到杜鹃花上。但在最冷的天气里，它们却不能使用它——它们的新陈代谢停止了。

尼尔森说:“它们吸收辐射，却没有生化机制将辐射输送到光合作用中。”“它们有大量的能量进入叶子，但与叶子无关。”

辐射会损害树叶。杜鹃花的叶子卷曲下垂，当它们不能利用阳光时，就会大大减少阳光照射到它们身上的数量。

厄普曼尤说，这也可以帮助它们在霜冻后缓慢解冻。如果叶片解冻和展开过快，霜冻针可能会刺穿和破坏叶片表面。

了解这些机制如何在杜鹃花中发挥作用，可能有助于科学家设计出更能抵御寒冷天气的作物。但是Upmanyu也对这些原理如何应用于工程很感兴趣。

Upmanyu说:“我感兴趣的是薄片如何改变形状，以及我们如何对智能结构进行编程，大自然通常会提供一些有待开发的强大策略。”“这是一个很好的可逆形状变化的例子，温度驱动的水的运动是一个刺激。

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