在西方很多國家（如英國、美國）三葉草代表著幸運，因為它被認為是只有在伊甸園中才有的植物，它還是愛爾蘭的國花。撲克牌里面的梅花就是代表幸運的三葉草，三片葉子分別代表真愛、健康和名譽。三葉草的種類有很多種，其中黃花酢漿草具有與眾不同的種子彈射方式，一般的植物種子都是一次彈射出去，而黃花酢漿草可實現種子的連續彈射。中國石油大學（華東）工程力學系劉建林團隊就此對其進行研究，結果發現其擁有一種特殊的屈曲變形彈射結構能夠形成不同彈射結構之間的連續彈射，而只需要消耗很少的能量觸發第一個種子，這類似多米諾骨牌現象。近日，該研究發布在知名科學雜志上。此外，劉建林團隊還利用這種屈曲機理制備了可實現連續彈射的仿生彈射裝置。
種子的外層獨特彈射結構
實驗中，科研團隊選取戶外自然生長的成熟酢漿草果實， 固定在實驗臺上并通過施加輕微擾動觸發種子彈射，并借助高速攝像機來研究這一過程。實驗團隊發現實驗觀察發現，酢漿草的種子的外部包裹著一層透明的假種皮，其具有的雙層結構正是種子彈射的關鍵，假種皮由于內外層的幾何不匹配會產生應變能，當外界的擾動觸發假種皮時，假種皮通過屈曲跳躍的方式來釋放應變能將種子彈射出去。
圖1 酢漿草果實及單個種子彈射過程
揭開種子連續彈射的秘密
在單個種子彈射的基礎上，科研人員通過進一步研究發現，假種皮上的彎勾狀凸起便是種子彈射的觸發機構，也是種子連續彈射的關鍵。如圖所示，在酢漿草果實內，種子的觸發機構依次緊靠前面的種子。第一種子彈射時，開裂彈射的假種皮就會激發第二個種子的觸發機構，第二個會進一步激發后續種子的連續彈射，形成多米諾骨牌效應。
圖2 種子在果皮內的排列方式
為了驗證上述結論，科研人員利用一個成熟果實進行實驗，輕輕觸碰果實的底部，結果發現其內部的五顆種子從下到上依次發生彈射，其可在0.1 s內完成。而且，科研團隊還發現種子在果實內部的傾斜排列方式以及種子表面的多級結構保證種子會以最優的發射角度進行彈射，從而讓種子散布到到最遠的地方。
圖3 五個種子的連續彈射
仿生彈射裝置
劉建林介紹，對酢漿草種子的連續彈射機理研究可以促進新材料、新器件的仿生設計與研發。科研團隊利用硅膠、橡膠、聚乙烯板等材料制備了一種仿生彈射裝置，通過觸碰第一個結構的觸發裝置，便可實現類似酢漿草的連續彈射。這種植物界中的多米諾骨牌效應可為藥物的靶向運輸、微器械控制、石油開采等領域提供新的思路與方法。例如，在油田開發領域，由于油藏中的巖石對表面活性劑的吸附作用，很難將表面活性劑輸送到深部的剩余油富集區。可制備類似酢漿草種子的輸送結構，通過油水界面張力觸發，將內部的表面活性劑彈射出來，對剩余油進行驅替。
圖4 仿生連續彈射過程
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41598-020-65885-2
