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恒温运动:杜鹃花可以教给我们有关机器人技术的知识
2020年09月16日    阅读量:266    新闻来源:中国机械网 okmao.com  |  投稿

在一个寒冷的冬季,Moneesh Upmanyu和儿子在波士顿郊外的家附近散步。他们通过了杜鹃花灌木丛,其浓密的绿色叶子into缩成细管,从茎上垂下。它看起来已经死了或快死了中国机械网okmao.com



但是,当东北大学的机械和工业工程学教授厄普曼尤几天后,在温暖的一天走过现场时,这种植物似乎已经复活了。叶子被摊平并朝太阳升起。他的儿子有一个问题:为什么?


“我没有答案,”厄普曼尤说。但是他决定找出答案。


Upmanyu研究了各种材料的结构特性以及它们对刺激的反应方式,这些材料可用于微电子或机器人系统。在本月《皇家学会接口杂志》封面上的最新论文中Upmanyu和他的同事在研究了杜鹃花如何卷曲和下垂的机械方面。


Upmanyu说:“在机器人技术,微电子设备中,您需要设计能够仅基于某些刺激(例如温度,光线甚至触摸)的接触和断开的开关。” “这种理解对于设计智能的主动结构非常重要。”


Upmanyu说,在这种特殊情况下,它取决于水的流动。当温度下降时,水从茎移到叶片中,导致茎下垂。水在叶子上的分布不均匀,并且冻结时会导致叶子顶部膨胀,而下面收缩。这使叶子开始卷曲。


但是,如果那是它的结尾,则叶子将均匀地向下卷曲,从而形成倒置的杯子形状。该研究的主要作者,中国科学技术大学教授王海龙说,导致叶片卷成紧实的雪茄的原因是它们的坚硬的刺或中脉沿着叶片的中心延伸。


王说:“叶子不能以圆顶状的半球形结构弯曲,它只能沿一个方向弯曲,而那正是中脉刚硬的。”王先生在2010年从东北大学获得博士学位。他说:“曲率仅沿一个方向发展,但它被放大了。”


了解这些叶子为何卷曲可以帮助研究人员设计出可响应温度变化或其他刺激的智能折叠结构和电子设备。图片来源:Matthew Modoono /东北大学

当研究人员从杜鹃叶子上切下条状并将其与中脉分开时,它们会向各个方向卷曲并松散地扭曲。但是由于中肋限制了卷发,这些力仅被重定向到一个方向,从而导致卷发更加紧密。


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“这项研究使我感到惊讶,”弗吉尼亚理工大学的生态学家埃里克?尼尔森(Erik Nilsen)说。“我认为运动的动力在叶子上是水平的,因为叶子从边缘向下卷曲。”


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。


尽管在艰难的高山条件下生长,杜鹃在整个冬季都保留着绿叶。由于周围的落叶树失去了叶子,多余的阳光到达了杜鹃花。但是在最冷的天气里,他们无法使用它,它们的新陈代谢会关闭。


尼尔森说:“因此,它们吸收辐射,并且没有生化机制将辐射穿梭到光合作用中。” “他们有很多能量进入叶片,无关。”


辐射会损坏树叶。通过卷曲和下垂,杜鹃叶子可以在无法使用时大大减少日光照射到它们上。


Upmanyu说,这也可能帮助他们在霜冻后融化得更慢。如果叶子融化和解开得太快,霜针可能会刺穿并损坏叶子表面。


了解这些机制如何在杜鹃花中发挥作用,可能会帮助科学家设计出对寒冷天气更具抵抗力的农作物。但是Upmanyu也对如何将这些相同的原理应用于工程感兴趣。


Upmanyu说:“我对床单如何改变形状以及我们如何对智能结构进行编程感兴趣,而自然界通常会提供强大的策略以待开发。” “这是可逆形状变化的一个很好的例子,其中温度驱动的水运动是一种刺激。


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