许多生命结构展现出环境自适应的有趣形貌，有助于实现其生物学功能，激发新材料设计灵感。
近日，复旦大学航空航天系徐凡教授课题组与清华大学冯西桥教授合作研究发现失水果实（如百香果）收缩核壳结构中的一种新颖而有趣的手性褶皱拓扑形貌，揭示了手性形貌的局部扰动自适应性可以有效且稳定地抓取各种形状、材料和软硬的物体，构建了一种基于手性形貌的自适应智能软抓手。相关研究成果以《收缩球体中的手性拓扑失稳》(“Chiral Topographic Instability in Shrinking Spheres”)为题作为封面文章(Cover)发表于《自然·计算科学》(Nature Computational Science, doi:10.1038/s43588-022-00332-y)。
研究人员发现自然失水的果实（如百香果）表面会出现一系列复杂的褶皱形貌演化（图1(a)-(d)）：收缩变形后，核壳表面首先失稳为巴基球（周期性六边形和五边形）模态，进而转变为手性形貌，且相邻的手性胞元可进一步协同作用，导致对称破缺而形成两种手性拓扑网络。为理解其内在的物理力学机制并定量预测大变形形貌演化，研究人员发展了一种核壳模型并推导出普适的标度律关系，可定量预测临界巴基球失稳和二次分岔手性拓扑行为。理论预测、数值计算与实验结果一致（图1(e)-(h)）。
图1. 失水百香果形貌演化：(a)-(d)实验观察，(e)-(h)理论预测。
进一步地受自然启发，研究人员通过空腔硅胶软球抽气收缩实验再现了巴基球模态向手性形貌的转变（图2(a)-(d)），并进一步通过在空腔硅胶软球表面施加局部扰动可实现六边形到手性网络模态转变的局部可调控性与自适应性（图2(e)-(h)）。实验揭示了手性形貌的局部扰动自适应性可以有效且稳定地抓取各种形状、材料和软硬的物体，提出了一种基于手性形貌的自适应曲面软抓手（图3）。研究结果不仅为大变形球壳表面手性褶皱形貌的形成演化机制给出了系统解释，还为通过利用曲面几何实现丰富的多功能表面形貌提供了新思路。
图2. 抽气软球壳表面手性形貌演化：(a)-(d) 收缩球壳表面出现六边形到手性网络的模态转变。(e)-(h) 外部激励扰动可诱导局部手性网络生成。
图3. 目标自适应软抓手对各种几何形状、大小、材料和软硬的物体可实现有效抓取。六边形模态向手性模态的扰动敏感性转变有助于不同目标物体的智能抓取。
工作被《自然·计算科学》(Nature Computational Science)以News & Views专题评论报道(“Bio-inspired adaptive grasper by chiral wrinkling”)，被Nature以Press Release报道。
该研究由复旦大学航空航天系徐凡教授课题组与清华大学工程力学系冯西桥教授合作完成。徐凡教授是论文的第一作者和通讯作者，冯西桥教授是论文的共同通讯作者。复旦大学航空航天系研究生黄阳超和赵世晨是论文的合作者。研究得到国家自然科学基金委、上海市基础研究特区计划等资助。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s43588-022-00332-y
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