新型生物降解“魔术贴” 可贴在植物上实时监测环境并自动溶解

新型生物降解魔术贴

最近，意大利理工学院的科学家受攀援植物微爪结构的启发，研发了一种柔软的新型生物降解“魔术贴”（或者叫“智能夹子”）。

这种材料可以贴在植物上，用于对农作物的温度、湿度和光照等进行实时环境监测，控制分子释放到植物，甚至还可以在工作完成后自动溶解。

2021年10月7日，相关论文以《用于叶上传感和传送的类植物钩状微型机器》为题发表。

首先，研究人员研究了微型钩的抓取力，然后，他们使用软无线多参数传感器，来监测植物内的叶片接近度，以及可降解钩分子传递到叶子的微型系统。此外，他们还使用“软机器人”概念来验证所设计的样机，以充分展示这种新型的可降解“魔术贴”如何在叶子上实现棘轮式的运动。

从天然到人工的基于MH的植物叶片锚定装置

该团队对植物天然微钩的结构进行动力学建模解析后，从形态学和生物力学出发，将其植物特征用人工的相同方式进行表现。这些可降解魔术贴的制作工程也很简单，它们采用耐性材料，由高分辨率的3D打印机而成，并且可适应相关应用。

该论文通讯作者、意大利理工学院机器人学副主任兼意大利理工学院仿生软机器人实验室负责人芭芭拉·马佐莱表示，“通过这个研究项目，进一步证明了我们所提出的设计方案是可行的。这些解决方案不仅旨在监测地球的健康状况，特别是植物的健康状况。而且，这是一种极为亲和的方式，即在不破坏原本的生态环境前提下进行的。”

由于植物叶子十分脆弱，目前很少有设备可以直接将自身附着在植物叶子上，并使它们不受损坏。而意大利理工学院研究人员提出的这种新方案中，其化学胶基或基于夹子传感器已经被证实，可通过附着在叶片来监测各项环境的数据（即水含量、温度、植物生长、应力等）。

研究人员通过相关测试发现，这种微型钩结构具有很大的附着能力，可以稳定地在植物的表面固定。这个固定的过程使得微型钩像膏药一样在植物表面“贴住”，但并不需要任何化学粘剂。

通过MH结构的微型机器人（基于MH的MiniBot）的在叶片表面上进行棘轮状验证样机

由于这些生物降解“魔术贴”可以把叶片中微型系统“互相关联”，因此，它可用于释放药品和杀虫剂等对植物有益的物质。并且，这种材料具有可溶性的特征，其原理类似于可降解塑料。因此，可以在“执行任务”结束后自动溶解，而不污染环境，这对自然环境来说是完全“绿色”的。

新型生物降解魔术贴

“这些微型挂钩用途广泛，使我们能够创造一系列应用，并申请了相关专利，”该论文第一作者、意大利理工学院马佐莱课题组研究员、伊莎贝拉·菲奥雷洛解释说，“这种以微型勾的固定方式可用于监测植物的气候变化，以及温度、湿度和光照，或将一些对植物有益的分子释放到植物的系统当中。”

卷须状软体机器人

芭芭拉·马佐莱团队一直专注此领域的研究，在这之前，就曾发表过以植物为启发的卷须状软体机器人。2019年，以《基于可逆渗透驱动的基于可变刚度卷须状软体机器人》为题发表了论文。

研究人员从植物相关特征及其运动中总结了一些规律，他们发现，植物迁徙的流动性与其生长的外部环境有关。为适应外部环境，植物必须不断地使自身形态改变，比如植物的叶子闭合或攀援植物的卷须生长。植物的这些组织能够盘绕在外部支撑物上，不断地自我生长，而且，当环境外部支撑不足时，这种植物也可以蔓延生长。

回到本次新发表的研究，该团队使用光敏树脂3D打印的的微型钩与电子设备和光、温度和湿度传感器组装形成统一的系统，创建智能夹子，再通过叶子的两侧对植物进行无线监控。最后，同样在相同结构的基础上，提出了一种微型机器人系统，能够使用微步在叶子表面上移动。

此外，该团队还致力于开发基于微型勾的贴片以穿透植物叶片，以便将有效载荷输送到植物组织，并实施检测植物病害情况。