四校合作！Nature封面：会钻地的木材机器人，空投人造种子，助力智慧播种！

作者：Robospeak 发布时间：2023-02-19 点击数：

AI摘要

种子还能自发钻土？这正是大自然的神奇之处。有种名叫牻牛儿（Erodium）的植物长着“钻头形”种子，会在下雨或湿度增高时，把原本螺旋扭紧的身体展开，将种子头推入土里，从而免于被鸟类等动物掠食，也免受恶

摘要由作者通过智能技术生成

种子还能自发钻土？这正是大自然的神奇之处。有种名叫牻牛儿（Erodium）的植物长着“钻头形”种子，会在下雨或湿度增高时，把原本螺旋扭紧的身体展开，将种子头推入土里，从而免于被鸟类等动物掠食，也免受恶劣环境的影响，使种子更易于生根发芽。

受“钻头形”种子的启发，卡耐基梅隆大学姚力宁教授、浙江大学王冠云研究员联合宾夕法尼亚大学、雪城大学的研究人员设计了一种基于橡木吸湿性的机器人（以下简称“E-seed”）作为种子载体用于空中播种，在平坦土地上的种子钻孔成功率为 80%。机器人适用于在人类难以进入的地区进行空中播种，将为农业播种、植被种植、环境检测、生态修复提供新思路。

四校合作！Nature封面：会钻地的木材机器人，空投人造种子，助力智慧播种！(图1)

E-seed自发钻土过程

2023年2月15日，团队在Nature期刊发表了题为：Autonomous self-burying seed carriers for aerial seeding 的研究论文，该论文还被选为当期封面论文。

四校合作！Nature封面：会钻地的木材机器人，空投人造种子，助力智慧播种！(图2)

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

▍灵感源于自然材料取于自然结构超越自然

团队分析了牻牛儿种子在适应干旱气候时进化出的奇特的自发钻土机制。牻牛儿种子的身体像钻头般紧密缠绕，尾部有一个长而弯曲的尾巴。当遇到湿气时，钻头般的身体吸水后展开并不断旋转，从而使种子头部埋入土中。

研究团队受此启发，对人造种子载体E-seed的材料和结构进行设计，最终开发了一套包括化学清洗和定型等五步流程来制造种子载体。

四校合作！Nature封面：会钻地的木材机器人，空投人造种子，助力智慧播种！(图3)

人造E-seed种子与牻牛儿（Erodium）种子对比

自然界牻牛儿种子的成功钻土过程对土壤和自然环境要求较高，为了使人造种子载体E-seed适用于更广泛的环境，研究团队开发了带有三条尾巴的E-seed，它能更有效地推动自身的直立提升钻土成功率，从而超越牻牛儿种子的性能。另外，E-seed也可以通过改变种子身体大小、定制双螺旋结构等实现不同场景的需求。

四校合作！Nature封面：会钻地的木材机器人，空投人造种子，助力智慧播种！(图4)

定制版E-seed

在相同的试验条件下，三尾种子载体的表现明显好于珍珠岩种子和其他四种天然物种的吸湿种子，在相对平坦的土壤上优势更为明显。在这里提出的工程解决方案受到自然的启发，但根据特定的地形和有效载荷，包括不同的种子、共生物种和有益的线虫，提供了灵活性。与现有的生物和合成湿态致动器相比，该系统最大弯曲曲率为1854 m−1，是已报道的木质弯曲致动器的45倍，并且具有相当大的弹性模量(约4.9 GPa)。

四校合作！Nature封面：会钻地的木材机器人，空投人造种子，助力智慧播种！(图5)

仿生设计的自带“钻头”的种子载体（图源自Nature）

四校合作！Nature封面：会钻地的木材机器人，空投人造种子，助力智慧播种！(图6)

种子载体几何参数设计（图源自Nature）

▍效果在自然中检验意义造福自然

在研制过程中，团队通过大量的环境模拟实验来验证人造种子载体E-seed对钻土和发芽的促进效果。为了进一步了解实际应用的可行性，研究人员同时对人造种子载体进行了大量的实地测试。

三尾载体在两次触发循环后，在平地上的钻地成功率为80%，这得益于其尾部锚定的有利静置角度(25°-30°)，而天然Erodium种子的成功率为0%。运载工具可运载各种大小的有效载荷和内容物，包括生物肥料和白皮松种子大小的植物种子，长度约11毫米，重量约72毫克。通过对实验数据和数值模拟数据的比较，阐明了曲率变换和驱动机理，为种子载体的设计和优化提供了指导。

四校合作！Nature封面：会钻地的木材机器人，空投人造种子，助力智慧播种！(图7)

E-seed种子发芽测试

除了种子之外，研究人员证明了他们可以使用E-seed来传播被用作天然杀虫剂的微生物、肥料和真菌。这种生物工程技术在现实世界中的应用，对推进生态设计至关重要，可以解决多种问题，比如避免山体滑坡、减少物种入侵、助力植被恢复等。E-seed还可以植入传感器，并用于环境监测、协助自然勘探等，还能在能源收集、软机器人和可持续建筑方面有潜在的应用。