種子如何植入土壤中似乎很神奇。以一些品種的Erodium為例，其紫色，粉紅色或白色的五瓣花看起來像天竺葵。

這些植物的種子被攜帶在細(xì)而緊密纏繞的莖內(nèi)。在下雨或高濕度時(shí)，開瓶器狀的莖松開并將種子扭曲到土壤中，在那里它可以生根，并且不受饑餓的鳥類和惡劣環(huán)境條件的影響。

受到Erodium魔力的啟發(fā)，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)Cooper-Siegel人機(jī)交互助理教授Lining Yao與一組合作者合作設(shè)計(jì)了一種可生物降解的種子載體，稱為E-seed。

它們的種子載體由木飾面制成，可以在難以進(jìn)入的地區(qū)進(jìn)行空中播種，并可用于各種種子或肥料，并適應(yīng)許多不同的環(huán)境。這是兼職農(nóng)民的女兒姚明從2010年代中期在麻省理工學(xué)院讀博士以來就一直在思考的一個(gè)想法。

“幾十年來，在力學(xué)，物理和材料科學(xué)方面，種子埋葬已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，但直到現(xiàn)在，還沒有人創(chuàng)造出工程等價(jià)物，”計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院人機(jī)交互研究所變形物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室主任姚說。“種子載體研究因其潛在的社會(huì)影響而特別有益。我們對(duì)可能對(duì)自然產(chǎn)生有益影響的事物感到興奮。

該團(tuán)隊(duì)的研究發(fā)表在《自然》雜志上。

Morphing Matter實(shí)驗(yàn)室的前研究助理，該論文的主要作者Danli Luo表示，種子載體的設(shè)計(jì)和構(gòu)造受到Erodium適應(yīng)干旱氣候時(shí)進(jìn)化的自我掩埋機(jī)制的啟發(fā)。

Erodium的莖形成一個(gè)緊密纏繞的，攜帶種子的身體，頂部有一條長而彎曲的尾巴。當(dāng)它開始放松時(shí)，扭曲的尾巴與地面嚙合，導(dǎo)致種子載體直立。進(jìn)一步的展開會(huì)產(chǎn)生扭矩向下鉆入地下，埋葬種子。

但Erodium的單尾載體只在有裂縫的土壤上工作得很好。為了在更廣泛的環(huán)境中使用他們的電子種子載體，研究小組開發(fā)了一種三尾版本，可以更有效地推動(dòng)自己直立。

“幾何形狀可以增強(qiáng)材料的功能，超越大自然為我們提供的功能。它還使設(shè)計(jì)具有多功能性，可以應(yīng)用于其他材料，“賓夕法尼亞大學(xué)材料科學(xué)家兼合著者Shu Yang說。

研究人員考慮了許多可能的載體材料，包括水凝膠，紙和其他形式的加工纖維素。他們最終選擇了白橡木貼面——一種在匹茲堡CMU校園附近的申利公園豐富的樹木——并廣泛用于家具。像鈍一樣，貼面對(duì)水分有反應(yīng)。

“種子對(duì)雨有一種神奇的反應(yīng)，”姚說。

在內(nèi)蒙古長大的姚明很早就從父母那里了解到播種過程與降雨前景的重要性。在這個(gè)項(xiàng)目中，她對(duì)這個(gè)時(shí)機(jī)的欣賞與日俱增，因?yàn)檠芯咳藛T對(duì)載體進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，而不僅僅是實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。這意味著他們必須密切關(guān)注天氣，在即將下雨時(shí)將航母趕到試驗(yàn)場(chǎng)。

該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)五步工藝，包括化學(xué)洗滌和機(jī)械成型來制造種子載體。盡管這些載體目前是在實(shí)驗(yàn)室中制造的，但研究人員預(yù)計(jì)該工藝將適應(yīng)工業(yè)規(guī)模。

“通過數(shù)字設(shè)計(jì)和制造方法制作電子種子對(duì)于我們的長期目標(biāo)至關(guān)重要，”Morphing Matter實(shí)驗(yàn)室的前博士后研究員王冠云說，他在浙江大學(xué)擔(dān)任教職后繼續(xù)從事該項(xiàng)目。

除了種子之外，研究人員還證明他們可以使用載體來輸送線蟲(用作天然殺蟲劑的蠕蟲)，肥料和真菌。改造它們以種植幼苗的工作也在進(jìn)行中。

“深入了解木材和種子鉆孔動(dòng)力學(xué)的力學(xué)可以改進(jìn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，”雪城大學(xué)機(jī)械和航空航天工程副教授Teng Zhang說，他進(jìn)行了建模和模擬，以解釋木材執(zhí)行器的工作機(jī)制以及E-seed三尾設(shè)計(jì)的好處。

這些應(yīng)用之所以成為可能，要?dú)w功于埃森哲實(shí)驗(yàn)室的Aditi Maheshwari和Andreea Danielescu進(jìn)行的一項(xiàng)用戶研究，他們采訪了重新造林、農(nóng)業(yè)和土壤健康管理方面的主題專家，以告知電子種子在現(xiàn)實(shí)世界中的適用性。

“了解電子種子等生物工程技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用對(duì)于推進(jìn)生態(tài)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，”埃森哲實(shí)驗(yàn)室研發(fā)負(fù)責(zé)人Maheshwari說，他致力于可持續(xù)材料和環(huán)境。

埃森哲實(shí)驗(yàn)室未來技術(shù)研發(fā)小組主任Danielescu表示，電子種子可以提高生態(tài)彈性。

“像E-seed這樣的技術(shù)可以幫助我們解決現(xiàn)實(shí)世界的問題 - 幫助我們避免山體滑坡，減少入侵物種的影響，并改善難以到達(dá)的地方的重新造林，”Danielescu說。

載體還可用于植入用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的傳感器。它們還可以通過植入基于溫度波動(dòng)產(chǎn)生電流的裝置來幫助能量收集。

“農(nóng)業(yè)，林業(yè)和其他學(xué)科對(duì)研究的興趣令人鼓舞，”姚說。但也許最重要的代言之一來自她身邊的一個(gè)消息來源：她的父親，兼職農(nóng)民。