種子還能自發(fā)鉆土？這正是大自然的神奇之處。有種名叫牻牛兒苗（erodium）的植物長著“鉆頭形”種子，會在下雨或濕度增高時，把原本螺旋扭緊的身體展開，將種子頭推入土里，從而免于被鳥類等動物掠食，也免受惡劣環(huán)境的影響，使種子更易于生根發(fā)芽。

受“鉆頭形”種子的啟發(fā)，我校計算機學(xué)院設(shè)計學(xué)團隊參與國際跨學(xué)科交叉合作，聯(lián)合設(shè)計了一種可以自發(fā)鉆土的種子載體e-seed，適用于在人類難以進入的地區(qū)進行空中播種。e-seed將為農(nóng)業(yè)播種、植被種植、環(huán)境檢測、生態(tài)修復(fù)提供新思路。

autonomous self-burying seed carriers for aerial seeding. nature 614, 463–470 (2023).

e-seed自發(fā)鉆土過程

靈感源于自然 材料取于自然 結(jié)構(gòu)超越自然

團隊分析了牻牛兒種子在適應(yīng)干旱氣候時進化出的奇特的自發(fā)鉆土機制。牻牛兒種子的身體像鉆頭般緊密纏繞，尾部有一個長而彎曲的尾巴。當(dāng)遇到濕氣時，鉆頭般的身體吸水后展開并不斷旋轉(zhuǎn)，從而使種子頭部埋入土中。研究團隊受此啟發(fā)，對人造種子載體e-seed的材料和結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，最終開發(fā)了一套包括化學(xué)清洗和定型等五步流程來制造種子載體。

人造e-seed種子與牻牛兒（erodium）種子對比

自然界牻牛兒種子的成功鉆土過程對土壤和自然環(huán)境要求較高，為了使人造種子載體e-seed適用于更廣泛的環(huán)境，研究團隊開發(fā)了帶有三條尾巴的e-seed，它能更有效地推動自身的直立提升鉆土成功率，從而超越牻牛兒種子的性能。另外，e-seed也可以通過改變種子身體大小、定制雙螺旋結(jié)構(gòu)等實現(xiàn)不同場景的需求。

雙螺旋版、大尺寸版、電子版等定制版e-seed

效果在自然中檢驗 意義造福自然

在研制過程中，團隊通過大量的環(huán)境模擬實驗來驗證人造種子載體e-seed對鉆土和發(fā)芽的促進效果。為了進一步了解實際應(yīng)用的可行性，研究人員同時對人造種子載體進行了大量的實地測試。

“人造種子載體e-seed的研究有著重大意義，對自然環(huán)境有著深遠(yuǎn)影響”王冠云介紹。除了種子之外，研究人員證明了他們可以使用e-seed來傳播被用作天然殺蟲劑的微生物、肥料和真菌。這種生物工程技術(shù)在現(xiàn)實世界中的應(yīng)用，對推進生態(tài)設(shè)計至關(guān)重要，可以解決多種問題，比如避免山體滑坡、減少物種入侵、助力植被恢復(fù)等。e-seed還可以植入傳感器，并用于環(huán)境監(jiān)測、協(xié)助自然勘探等。

e-seed可植入無線傳感器

浙大團隊在田間進行無人機播種實驗

這項研究成果于北京時間2023年2月16日，作為封面文章刊發(fā)在國際頂級期刊《自然》。論文的共同通訊作者為我校王冠云特聘研究員、賓西法尼亞大學(xué)shu yang教授、雪城大學(xué)teng zhang教授、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)lining yao教授，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的danli luo為第一作者。浙大團隊包括孫凌云教授、王冠云研究員，博士生酈家驥、陽月等。

論文原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05656-3

論文宣傳視頻鏈接：https://www.bilibili.com/video/bv1cd4y1w7pg/spm_id_from=333.788.recommend_more_video.0