三叶草种子的连续弹射，植物界中的多米诺骨牌效应

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在西方很多国家（如英国、美国）三叶草代表着幸运，因为它被认为是只有在伊甸园中才有的植物，它还是爱尔兰的国花。扑克牌里面的梅花就是代表幸运的三叶草，三片叶子分别代表真爱、健康和名誉。三叶草的种类有很多种，其中黄花酢浆草具有与众不同的种子弹射方式，一般的植物种子都是一次弹射出去，而黄花酢浆草可实现种子的连续弹射。中国石油大学（华东）工程力学系刘建林团队就此对其进行研究，结果发现其拥有一种特殊的屈曲变形弹射结构能够形成不同弹射结构之间的连续弹射，而只需要消耗很少的能量触发第一个种子，这类似多米诺骨牌现象。近日，该研究发布在知名科学杂志上。此外，刘建林团队还利用这种屈曲机理制备了可实现连续弹射的仿生弹射装置。

种子的外层独特弹射结构

实验中，科研团队选取户外自然生长的成熟酢浆草果实， 固定在实验台上并通过施加轻微扰动触发种子弹射，并借助高速摄像机来研究这一过程。实验团队发现实验观察发现，酢浆草的种子的外部包裹着一层透明的假种皮，其具有的双层结构正是种子弹射的关键，假种皮由于内外层的几何不匹配会产生应变能，当外界的扰动触发假种皮时，假种皮通过屈曲跳跃的方式来释放应变能将种子弹射出去。

图1  酢浆草果实及单个种子弹射过程

揭开种子连续弹射的秘密

在单个种子弹射的基础上，科研人员通过进一步研究发现，假种皮上的弯勾状凸起便是种子弹射的触发机构，也是种子连续弹射的关键。如图所示，在酢浆草果实内，种子的触发机构依次紧靠前面的种子。第一种子弹射时，开裂弹射的假种皮就会激发第二个种子的触发机构，第二个会进一步激发后续种子的连续弹射，形成多米诺骨牌效应。

图2  种子在果皮内的排列方式

为了验证上述结论，科研人员利用一个成熟果实进行实验，轻轻触碰果实的底部，结果发现其内部的五颗种子从下到上依次发生弹射，其可在0.1 s内完成。而且，科研团队还发现种子在果实内部的倾斜排列方式以及种子表面的多级结构保证种子会以最优的发射角度进行弹射，从而让种子散布到到最远的地方。

图3  五个种子的连续弹射

仿生弹射装置

刘建林介绍，对酢浆草种子的连续弹射机理研究可以促进新材料、新器件的仿生设计与研发。科研团队利用硅胶、橡胶、聚乙烯板等材料制备了一种仿生弹射装置，通过触碰第一个结构的触发装置，便可实现类似酢浆草的连续弹射。这种植物界中的多米诺骨牌效应可为药物的靶向运输、微器械控制、石油开采等领域提供新的思路与方法。例如，在油田开发领域，由于油藏中的岩石对表面活性剂的吸附作用，很难将表面活性剂输送到深部的剩余油富集区。可制备类似酢浆草种子的输送结构，通过油水界面张力触发，将内部的表面活性剂弹射出来，对剩余油进行驱替。

图4  仿生连续弹射过程

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41598-020-65885-2

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