这种神奇植物可以将其种子弹射传播

金缕梅为落叶灌木植物或小乔木植物，图为金缕梅种子。（Shutterstock）

新研究发现，种子较重的金缕梅具有较大的荚，可以储存更多弹性能量，从而能将种子以子弹一样的速度发射出去。研究此类植物种子的弹簧机制，为开发科技产品提供了新颖的思路。

金缕梅（witch hazel）这种开花灌木植物通常因其在民间医学及天然外用药膏的用途而闻名。但生物物理学家和工程师也对这些种子感兴趣，因为借助其内置的弹簧加载机制，金缕梅的荚可以极快地将种子射出。现在，杜克大学（Duke University）的研究人员已经弄清楚了为什么（与预期相反）种子发射速度大致相同，尽管不同物种的种子可能具有明显不同的质量。8月23日发表于《英国王家学会交叉学科》（ Journal of the Royal Society Interface）期刊上的一篇新论文描述了这一研究结果。

“人们总是问我，‘你为什么要研究植物及其种子’?”合著者、杜克大学研究生贾斯汀·豪尔赫（Justin Jorge）说。 “因为它们具有奇怪的弹性。讲到弹性，通常我们会想到橡皮筋、线圈或弓箭。就生物学而言，这些奇怪、复杂的形状都存在其中。也许其中有些特点可用来改进人工弹簧的设计，例如小型跳跃机器人中使用的弹簧，但首先我们需要了解这些生物弹簧的工作原理。”

根据豪尔赫及其合著者、顾问希拉·帕泰克（Sheila Patek）的说法，自然界中有无数生物性弹簧的例子，涵盖了各种尺寸和功能，包括沫蝉（froghopper）、弹球菌（cannonball fungus）、和肉食性狸藻（carnivorous bladderwort）植物陷阱等等，全用这类机制来弹射物体。钜针蚁（Trap-jaw ants）利用弹簧驱动来弹射下颌来捕获猎物，而蚱蜢则用其富有弹性的腿来踢开捕食者。像金缕梅这样的开花植物则利用弹簧机制将种子从果实中发射出来。

豪尔赫对金缕梅非常着迷，因其基本机制涉及光滑的弹射种子和包裹它的坚硬结构，称为内果皮（endocarp）。当需要传播种子时，木质内果皮开始脱水变干从而变形，这种变形会对种子施加压力。但种子也会抵抗这种变形力，因此内果皮中所有潜在的能量会产生并集聚压力。最后，压力变得够大，足以冲破种子受到的阻力，种子就被强力弹出，通常在半毫秒内达到每秒 30 英尺的速度。更快的速度意味着更好的种子传播，这样物种就得以传宗接代。

为进一步研究此弹射机制，豪尔赫首先从北卡罗来纳州达勒姆的杜克花园和杜克森林收集了金缕梅“属”（genus）下的三个不同“种”（species）的植物果实。使用氰基丙烯酸酯胶将每个完整的水果通过底部附着在一个金属块上（以便内果皮可以自由反冲）。然后将金属块固定住，并用高速摄像机以每秒100,000帧的速度拍摄被发射出的种子，同时自动跟踪种子的轨迹。发射后，豪尔赫收集了种子，并对它们进行了各种材料表征测试，此外还测量了种子和内果皮的质量，以计算这两个变量之间的比率。

弹射物的质量和速度之间通常具有此消彼长的关系，例如，十字弓所发射较重的箭比较轻的箭速度会更慢。但这两人发现，尽管金缕梅种子的质量不同，但其发射速度基本相同。 有些种子的重量比米粒还轻，只有15毫克，而另一些种子的重量是米粒的十倍。

“对于较重的箭，如果弓弦拉得更远，或者使用不同的弩需要更大的力或位移，从而可以存储更多的弹性势能，那么弩就能以与较轻的箭相似甚至更快的速度射出较重的箭，”豪尔赫和帕泰克这样解释道。金缕梅也有类似的适应能力。种子较重的也有较大的内果皮，可以储存更多的弹性势能。研究的下一步将分析金缕梅种子在空中飞行时所受到的各种力。

从此类研究中吸取的经验教训可以帮助改进机器人马达和弹簧驱动系统。 两人表示，金缕梅种子使用单一结构同时作为马达和弹簧，这是一个显着的优势。例如，2021年的一项研究报告称，受植物启发，开发出了一种能跳跃的合成水凝胶，可利用弹簧机制进行驱动实现跳跃。两人总结道，这“揭示了利用环境能源驱动的潜力”。 “金缕梅与其它种子植物提供了大量例子，表明材料和几何形状是怎样用于组合式马达-弹簧结构的。”