在一個寒冷的冬季，美國東北大學的Moneesh Upmanyu教授和兒子在波士頓郊外的家附近散步。他們通過了杜鵑花叢，杜鵑花濃密的綠色葉子蜷縮成細管，從莖上垂下，它看起來已經死了或快死了但是當Upmanyu教授幾天后，和他兒子在一個溫暖的中午再次走過現(xiàn)場時，他們發(fā)現(xiàn)杜鵑花似乎已經恢復了活力，葉子攤平著并朝太陽升起。他的兒子有一個問題：為什么？“我沒有答案，”厄普曼尤說。但是他決定找出答案。
冬季溫度下降時，杜鵑葉子變成緊密的雪茄形狀。圖片來源：Matthew Modoono /東北大學
Upmanyu曾研究了多種材料的結構特性以及它們對刺激的反應方式，這些材料往往可用于微電子或機器人系統(tǒng)。在本月《Journal of the Royal Society Interface》封面上的最新論文中，Upmanyu和他的同事研究了杜鵑花如何卷曲和下垂的機理。
杜鵑花在寒冷的氣候中盛放，就像它們的花朵一樣美麗。一些山地物種的耐寒性部分是由于在嚴酷條件下觸發(fā)的可逆葉片運動，其中葉片在葉柄下垂，其邊緣在中脈周圍卷起。杜鵑葉子的卷曲和卷起是葉片溫度的指標：溫度越低，其范圍越大，正是由于這個原因，杜鵑花通常被稱為自然溫度計。寒冷的冬天樹葉在這組獨特的可逆的葉片運動賦予的顯著優(yōu)勢，以植物的生存都能夠發(fā)揮作用，盡管積雪，晝夜凍融循環(huán)的威脅，以及風的干燥劑。
Upmanyu說：“在機器人技術和微電子設備中，我們一直希望設計出僅基于某種刺激（例如溫度，光線甚至觸摸）的接觸和斷開的開關。” “這種理解對于設計智能的主動結構非常重要。”Upmanyu說，而在杜鵑花（卷曲葉子）這種特殊情況下，它的變化取決于水的流動，溫度下降時，水從莖移到葉片中，導致莖下垂。水在葉子上的分布不均勻，并且凍結時會導致葉子頂部膨脹而下面收縮，這使葉子開始卷曲。
但是，如果那是它的結尾，則葉子將均勻地向下卷曲，從而形成倒置的杯子形狀。該研究的主要作者，中國科學技術大學教授王海龍說，導致葉片卷成緊實的雪茄的原因是它們的堅硬的刺或中脈沿著葉片的中心延伸。王說：“葉子不能以圓頂狀的半球形結構彎曲，只能沿一個方向彎曲，而中脈剛硬的葉子則沿該方向彎曲。”王先生在2010年從東北大學獲得博士學位。他說：“曲率僅沿一個方向發(fā)展，但它被放大了。”
了解這些葉子為何卷曲的原因可以幫助研究人員設計出可響應溫度變化或其他刺激的智能折疊結構和電子設備。圖片來源：Matthew Modoono /東北大學
當研究人員從杜鵑葉子上切下條狀并將其與中脈分開時，它們會向各個方向卷曲并松散地扭曲。但是由于中肋限制了卷發(fā)，這些力僅重定向到一個方向，從而導致卷發(fā)更加緊密。“這項研究使我感到驚訝，”弗吉尼亞理工大學的生態(tài)學家埃里克·尼爾森（Erik Nilsen）說。“我認為運動的動力在葉子上是水平的，因為葉子從邊緣向下卷曲。”
研究人員使用葉片解剖研究來探究這些運動的機理，這些研究揭示了葉片滾動所必需的整個厚度差異擴張是橫向于中脈并沿中脈各向異性分布的。雙層薄板的數值模擬和理論分析表明，縱向膨脹放大了橫向軋制范圍。曲率轉移與面內泊松比成比例，剛性中肋適當地輔助了該剛性中肋，該剛性中肋用作控制縱向和橫向滾動之間競爭的對稱破壞約束。有葉柄和無葉柄的葉片滾動的比較表明，葉柄的柔韌性和葉片滾動部分是機械耦合的響應，這暗示了維持中脈肋剛度臨界水平以支持縱向擴張所需的液壓路徑。
尼爾森說，這種卷曲的生物學原因是為了幫助這些植物在冬天生存。盡管在艱難的高山條件下生長，杜鵑在整個冬季都保留著綠葉。由于周圍的落葉喬木失去了葉子，多余的陽光到達了杜鵑花。但是在最冷的天氣里，他們無法使用它，他們的新陳代謝會關閉。
尼爾森說：“因此，他們正在吸收輻射，并且沒有生化機制將輻射穿梭到光合作用中。” “他們有很多能量進入葉片，與葉片無關。”輻射會損壞樹葉。通過卷曲和下垂，杜鵑葉子可以在無法使用時大大減少日光照射到它們上。
Upmanyu說，這也可能幫助他們在霜凍后融化得更慢。如果葉子融化和解開得太快，霜針可能會刺穿并損壞葉子表面。了解這些機制如何在杜鵑花中發(fā)揮作用，可能會幫助科學家設計出對寒冷天氣更具抵抗力的農作物。但是Upmanyu也對如何將這些相同的原理應用于工程感興趣。
Upmanyu說：“我對床單如何改變形狀以及如何對智能結構進行編程感興趣，自然界經常提供強大的策略供人們利用。” “這是可逆形狀變化的一個很好的例子，其中溫度驅動的水運動是一種刺激。
這項研究強調了曲率轉移對于有效的增強熱帶植物的耐寒性和抗旱性的葉片運動和熱帶葉片運動以及使更普通的鉸鏈薄片變形的重要性。有葉柄和無葉柄的葉片滾動的比較表明，葉柄的柔韌性和葉片滾動部分是機械耦合的響應，這暗示了維持中脈肋剛度臨界水平以支持縱向擴張所需的液壓路徑。
通過細胞規(guī)模增長和/或膨脹壓力變化影響的差異菌株的表征及其與運動的關系，為理解生物學設計原理和生物信號通路提供了一個途徑，這對于比較和進化研究很重要和環(huán)境穩(wěn)定性的（遺傳性）工程如抗旱性和耐寒性，這個特性材料的發(fā)現(xiàn)在未來也可能應用于機器人的耐寒性等功能的開發(fā)和應用。
