是什么植物，竟能“欺骗”蜣螂为其埋下种子？是什么树木，吸引浣熊吃掉花蜜为它授粉？是什么水果，竟让鱼类窜出水面抢着吃？是什么杆茎，分泌出自然界最黏的粘合剂？这便是 BBC 纪录片《绿色星球》讲述的内容，很难想象植物也有如此高的“智商”。
近日，香港大学机械工程系的博士生潘益，以植物运动为灵感设计出一种形变折纸微流控装置（TOM，TransfOrigami microfluidics）。
图 | 潘益（来源：潘益）
所设计的 TOM 是一种微反应器，其具有环境适应性。它能感受环境刺激，并能通过形态转化，将其正向地反馈到微流体的光合作用中。TOM 背后的本质是一种可变形微系统，其原理可扩展到需要对环境做出响应的设备中，比如动态人工血管网络和形状自适应的柔性电子设备上。
图 | 形变折纸微流控装置（TOM，TransfOrigami microfluidics）（来源：Science Advances）
潘益认为，这一成果对于微流控行业的潜在影响将体现在两个方面：一是 3D 微流管道制造，二是环境响应功能。
目前，主流的微流管道仍然是使用软光刻技术来制作，管道结构会被限制在一个二维平面上。也有研究人员改用 3D 打印技术去制作 3D 管道，但精度远没有软光刻技术制作出来的高。
在该研究中，潘益展示的是通过 2D 制作方法来实现 3D 管道结构的制备，既保留了软光刻技术的制备精度，又能通过折叠来形成复杂的 3D 管道结构，这能给 3D 微流控管道设计带来一定的借鉴意义。
此外，该研究提出了具有环境响应能力的微流控装置这一概念，有望用于其他基于微流控相关的技术上，例如基于微流控开发的各种器官芯片。据介绍，生物活体正常情况下是动态的，而且具有一定的律动周期，当所研制的器官芯片配备了响应性运动的功能之后，它将更接近于真实的活体，这将帮助人们更有效地在微流控装置中去模拟器官功能。
（来源：Science Advances）
以植物为灵感，用技术“超越”植物
植物拥有非常丰富和复杂的脉管系统，比如叶子上的叶脉。它们利用这些脉管来输送水分和养料，以维持自身正常的新陈代谢。人类也可模仿植物的脉管系统，设计出微米级别的管道来输送液体，比如微流控装置。
但是，植物毕竟是生命体，它们许多特质是人工合成的微流控装置难以学习的，例如植物能通过感受外界环境的变化去调整自身状态，这便是一种环境适应能力。
举例来说，我们可以观察到有些植物在晴朗的白天张开叶片，而在夜晚却闭合叶片。植物学家认为，这种行为有助于植物叶子在白天收获更多阳光来合成更多养料，而夜间闭合叶片则有助于它们减少蒸腾作用所带走的能量。
（来源：Science Advances）
植物这种通过感受光照、温度、湿度等环境变化的运动方式，被称为感性运动。试想，如果微流控装置也能拥有这类通过感受环境变化而形变的能力，那么人造微流体系统将会更精巧、拥有更多功能、甚至变得智能化。
但是，目前的微流控装置想要达到上述效果，一般需要往系统里面添加各种电子传感器和制动器，以及结合电脑编程等，这会让整个体系更复杂。
（来源：Science Advances）
而如果不考虑电子元件的手段，材料和结构设计这两个因素会成为制备可形变微流控装置的影响因素。传统微流控装置的制备材料往往是惰性的，也就是没有环境响应特性的材料。在结构设计上，传统微流控装置更多关注管道结构与流体的关系，并不会在意装置整体的形状。
因此，要想实现响应形变的目标，就得打破上述局限。为此，潘益将具有响应形变功能的材料， 嵌入到很薄的微流控装置中，并结合折纸设计去实现装置在准 2D 结构和 3D 结构之间的转变。
这样一来，所设计的微流控装置不但可以在内部引入流体进行各种化学反应，还能随着环境中光照、温度、湿度的变化来调整形状，而形状调整又能实时反馈回流体中，从而影响正在进行的化学反应。
简单来说，潘益通过响应变形的方式，让微流控装置的外部环境与内部微流体之间互动起来。装置不再是“木讷的”，而是有了自己的“小动作”。
最后，潘益将 TOM 用作能实现适应性光合成反应的光微反应器，以展示该装置的工业意义。当外界环境适合光合成反应时，比如有足够高的光强时，装置便会主动铺开，以提高流道中反应物的光合成转化率；
当环境不利于反应时，装置能通过感受环境变化而折叠，这时可通过降低转化率来保留更多的原料，以避免在不适合的环境下发生反应、以及生成各种副产物。
所以，该研究的价值之一在于，针对工业生产中如何智能分配资源的问题，潘益利用让装置具备环境响应能力的方法，提供了一种新型解决思路。
（来源：Science Advances）
论文成为 Science Advances 当期封面
近日，相关论文以《植物启发的 TransfOrigami 微流体》（Plant-inspired TransfOrigami microfluidics）为题，发表在 Science Advances 上，并成为当期封面论文。潘益担任第一作者，香港大学机械工程系岑浩璋教授担任通讯作者。
图 | 当期封面（来源：Science Advances）
潘益说，每位审稿人对论文的第一句评价，都不约而同地用了“有趣（interesting）”一词。其中一位审稿人指出，此次报道的新方法是对 4D 响应性结构研究的一个良好补充，也能给适应性光合成反应的相关研究开拓道路。其还认为，对于其他可形变的结构应用，该工作也是一个很好的延展，对于将形变结构用在促进流体中的化学反应，可以带来一定启发。
图 | 相关论文（来源：Science Advances）
据悉，潘益最初的研究项目是刺激响应性材料的运动方式，即利用响应材料/结构来模仿各种生物的运动方式，从而设计出各类仿生微型软体机器人。其中一个运动设计的例子是模仿植物的开花过程。
事实上，模仿花开这一植物运动的例子，在许多响应性材料的论文中都有出现。但是，他在了解植物运动的原因时，产生了一个疑问：植物之所以运动，是为了适应环境变化而生存。
比如，开花是为了让动物帮助它授粉，叶片张开是为了促进光合作用。而设计各种形变材料去模仿植物运动，对于人类而言又有什么实质意义？
经过几番思索后，潘益决定将植物运动这一典型例子，往更深层次的应用去做，让所开发的响应性材料和装置，也能实现某些工业价值。
（来源：Science Advances）
于是，他把目标定位在能进行光化学合成的光微反应器中，即通过模仿植物的感性运动，去设计一个既能形变、又能用做光化学反应的微流控装置。因此，立项之后的潘益第一个任务，就是将装置制作出来。
这时，必须面对两个问题：一是如何将很薄的微流控装置制作出来，以方便折叠形变；二是如何将响应性材料整合到装置中，从而实现环境响应功能。
把装置制作出来后，又要验证装置在不同环境下的形变，对于管道中的微流体的影响，以及受影响的微流体如何将影响效果体现在流体的光化学反应上。待走完这一系列验证流程，拿到有信服力的数据后，课题组才将装置放到应用层面上做展示。
基于本次研究，未来潘益主要有三方面计划：
首先，会继续提升装置的性能，比如响应速度。虽然模仿对象是植物，但是他并不希望装置的响应速度和植物运动一样慢。所以，他会在结构和材料层面上去改进装置。
其次，对于装置的结构设计，他也会结合更精巧复杂的折纸和剪纸结构，让微流管道有更多变化。
最后，将对功能进行拓展。比如，在结合生物材料的器官芯片或导电材料的柔性电子中， 去实现环境响应，以将应用领域拓展到生物医学和可穿戴设备中。
“我们永远不知道大自然赋予的下一次灵感来自哪种生物”
潘益表示，灵感的来源是研究中最难忘的事。他本身喜欢看自然类的纪录片，在一部关于植物的纪录片（《植物王国 Kingdom of Plants》）中，出现了各种植物的延时拍摄影片，即将一段用几天时间拍摄的录像，压缩在几十秒钟之内播放完。
从延时影片中可以发现，植物并非静止不动；相反，影片中的植物在快速运动，特别是伴随着昼夜光线的变化，叶子在重复地张开与闭合。
这对他来说是件新鲜事，因为相较于动物运动，大部分植物的主动运动非常缓慢，以至于一直处于快节奏中的我们往往察觉不到。
自此，他去寻找和植物运动相关的资料，也发现了更多有趣案例。比如酢浆草，也就是平时非常常见的三叶草，它们的叶片就像一把小伞，在白天打开，夜晚折叠起来。打开是为了促进光合作用，获取更多能量；折叠是为了减缓蒸腾作用，保存更多能量。
而恰好潘益在做刺激响应材料与结构的相关研究，植物们这类“聪明的”运动方式，着实给课题设计提供了很好的仿生灵感。
他继续说道，包括此次成果在内，其博士阶段的研究都是围绕利用仿生微纳系统，去解决各类工程问题。所以，“仿生”是研究灵感的触发点。
和众多仿生领域的科研人员一样，潘益希望自己的研究成果，能提高大家对物种多样性以及其他环保问题的关注度。
其表示： “我们永远不知道大自然赋予我们的下一次灵感是来自哪一种生物，所以保护自然环境实际就是在保护我们灵感的来源。”
据悉，潘益是广东湛江人，本科就读于华南农业大学的材料化学专业，硕士考入中山大学生物医学工程专业。硕士期间的研究方向是生物医用纳米材料，主要将纳米材料用于分子成像和离子检测。
硕士毕业后，他在企业和高校都工作过一段时间，但最终还是决定继续深造。于是，便申请了香港大学机械工程系的博士项目，加入由岑浩璋教授带领的软物质与微流控研究团队。在博士阶段，潘益主要研究具有刺激响应功能的弹性体微系统的制作及其仿生应用。
博士毕业后，他打算回到内地求职。他说：“为寻找下一个发展平台，近期我也在多方打听和考量。我还是希望自己能继续从事跟仿生工程、微纳制造、生物医学相关的科研工作。”
