摘要gydF4y2Ba
空中播种可以迅速覆盖物理上难以到达的大片地区gydF4y2Ba1gydF4y2Ba改善土壤质量，清除农业残氮gydF4y2Ba2gydF4y2Ba，以及用于火灾后重新造林gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba，gydF4y2Ba4gydF4y2Ba，gydF4y2Ba5gydF4y2Ba还有荒地恢复gydF4y2Ba6gydF4y2Ba，gydF4y2Ba7gydF4y2Ba．然而，由于未掩埋的种子直接暴露在强烈的阳光、风和嗜食的鸟类中，以及不理想的空气湿度和温度，它的发芽率很低gydF4y2Ba1gydF4y2Ba，gydF4y2Ba8gydF4y2Ba，gydF4y2Ba9gydF4y2Ba．这里，灵感来自gydF4y2BaErodiumgydF4y2Ba种子gydF4y2Ba10gydF4y2Ba，gydF4y2Ba11gydF4y2Ba，gydF4y2Ba12gydF4y2Ba，gydF4y2Ba13gydF4y2Ba，gydF4y2Ba14gydF4y2Ba，我们设计和制造自钻种子载体，将木饰面变成高硬度(干燥时约4.9 GPa，潮湿时约1.3 GPa)和具有极大弯曲曲率(1,854 m)的湿态弯曲或卷曲驱动器gydF4y2Ba−1gydF4y2Ba)，是文献中数值的45倍gydF4y2Ba15gydF4y2Ba，gydF4y2Ba16gydF4y2Ba，gydF4y2Ba17gydF4y2Ba，gydF4y2Ba18gydF4y2Ba．我们的三尾钻机经过两次触发循环后，在平地上的钻井成功率为80%，这得益于其尾部锚定的有利静止角度(25°-30°)gydF4y2BaErodiumgydF4y2BaSeed的成功率为0%。我们的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。我们的系统将提高空中播种的有效性，以缓解农业和环境压力，并在能源收集、软机器人和可持续建筑方面有潜在的应用。gydF4y2Ba
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数据可用性gydF4y2Ba
在研究期间所产生及分析的数据载于gydF4y2Bahttps://doi.org/10.5281/zenodo.7057562gydF4y2Ba．数字模型、处理协议和数据集可根据L.Y.的要求提供gydF4y2Ba
代码的可用性gydF4y2Ba
用于模拟线圈延伸和钻孔的有限元分析的代码可在gydF4y2Bahttps://doi.org/10.5281/zenodo.7263943gydF4y2Ba．关于所使用的代码和模型的进一步信息可从T.Z.处获得gydF4y2Ba
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确认gydF4y2Ba
我们感谢c.y。魏负责处理建议，E. Sharon负责机制讨论，L. B.。胡建忠。Gu和J. Forman的有益见解。我们也感谢J. Y。朱楠竹。Plaza来自美国农业部林产品实验室，通过x射线衍射进行讨论和表征。我们感谢来自美国国家科学基金会的资金支持，包括iiis - career -1847149 (L.Y.)， CMMI-2020476 (T.Z.)和未来生态制造研究基金(no.)。Cmmi 2037097 (s.y.)。模拟在圣地亚哥超级计算机中心的Triton共享计算集群和极端科学与工程发现环境中的浩瀚集群(TG-MSS170004, T.Z.)进行。我们也感谢卡耐基梅隆大学材料表征设施(MCF-677785, L.Y.)、中国国家自然科学基金(62002321,G.W.)的使用以及埃森哲实验室对卡耐基梅隆大学(L.Y.)的捐赠。gydF4y2Ba
作者信息gydF4y2Ba
作者及隶属关系gydF4y2Ba
贡献gydF4y2Ba
L.Y.和D.L.构想了最初的概念。A.M.和ad构思了两个应用上下文。L.Y, T.Z, S.Y.和G.W.监督了这个项目。L.Y, D.L, T.Z.和S.Y.写了手稿。d.l.， L.Y.和G.W.进行了制造和峰值力测量。d.l.、l.y.、g.w.、j.l.、y.y.、Y.T.和L.S.分别进行了钻孔和发芽试验。d.l.， L.Y.和Y.Y.进行了弯曲角度和线圈间距测量。d.l.， L.Y.和D.K.P.进行了扫描电子显微镜和显微分析。D.K.P.和L.Y.进行了拉伸试验。T.Z.和L.Y.进行了曲率分析。 T.Z. carried out mechanical modelling and simulation. S.Y., T.Z. and L.Y. provided scientific and experimental advice. L.Y. and D.L. created the videos.
相应的作者gydF4y2Ba
道德声明gydF4y2Ba
相互竞争的利益gydF4y2Ba
美国专利申请(申请编号:;关于仿生复合材料的方法和装置的17/718,232)已由卡内基梅隆大学提交(让与人:l.y.， g.w.， J. Gu, D.L.和F. Qin.)。其他作者宣称没有利益竞争。gydF4y2Ba
同行评审gydF4y2Ba
同行评审信息gydF4y2Ba
自然gydF4y2Ba感谢Barbara Mazzolai, Naomi Nakayama和其他匿名审稿人对这项工作的同行评审所做的贡献。gydF4y2Ba同行评审报告gydF4y2Ba是可用的。gydF4y2Ba
额外的信息gydF4y2Ba
出版商的注意gydF4y2Ba施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。gydF4y2Ba
扩展的数据图形和表格gydF4y2Ba
扩展数据图1部分去木质素木贴面的SEM图像。gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba化学清洗模压木饰面(厚0.5 mm，芯轴直径0.8 mm)。皱细胞壁是由内侧纵向细胞的机械成型引起的。外侧细胞无明显变形迹象。gydF4y2BabgydF4y2Ba化学清洗但未成型的木单板，在整个样品中显示出均匀的细胞结构。gydF4y2Ba
扩展数据图2工程湿度驱动执行器的性能。gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba，弯曲作动器在三个作动周期内的可逆曲率变化。gydF4y2BabgydF4y2Ba，在三个连续的脱水-脱水循环中，具有七个线圈的模制线圈驱动器的可逆驱动，显示相对于螺旋顶端初始位置的角度变化(gydF4y2Baθ,θgydF4y2Ba干gydF4y2Ba)．两个执行器的宽度为3毫米，厚度为0.5毫米，由直径为0.8毫米的芯轴制成。长度为3毫米(a)和40毫米(b)。gydF4y2Ba
扩展数据图3可连接到无人机携带和部署种子的遥控设备的设计。gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba，安装在无人机上的定制种子展开机构的照片。gydF4y2BabgydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BadgydF4y2Ba，带有滑动盖的设备俯视图，以防止无人机机翼引起的湍流影响部署。gydF4y2BaegydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BafgydF4y2Ba，设备的底部视图，带有可通过遥控拉动机构打开的磁性双面门，如图(gydF4y2BaggydF4y2Ba)．gydF4y2BahgydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BajgydF4y2Ba，空中运输的现场测试，检查种子运输车的着陆姿势。gydF4y2BakgydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BalgydF4y2Ba，部分种子运输车进行空运试验。尾巴用鲜艳的颜色染色，便于识别。比例尺:10mm。gydF4y2Ba
扩展数据图4种子载体原型的制作和组装照片。gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BafgydF4y2Ba将白橡木原木加工成具有特定厚度和纤维取向的木单板的过程。gydF4y2BaggydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BahgydF4y2Ba、木条的激光切割、化学清洗、人工成型工艺。gydF4y2Ba我gydF4y2Ba化学洗涤过程。gydF4y2BajgydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BangydF4y2Ba、机械成型工艺。gydF4y2BaogydF4y2Ba-gydF4y2Ba问gydF4y2Ba，为三尾种子载体增加两尾。gydF4y2BargydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BawgydF4y2Ba，尖端制造工艺改编自文献gydF4y2Ba24gydF4y2Ba附加种子嵌入。gydF4y2BaxgydF4y2Ba，成型双螺旋体的过程。除非另有规定，比例尺为10mm。gydF4y2Ba
图5双盘式和单盘式种子载体自钻深度的比较。gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BabgydF4y2Ba、双螺旋载种车四个循环的照片(gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba)和单卷载种车(gydF4y2BabgydF4y2Ba)在每个水合和脱水状态。gydF4y2Ba
扩展数据图6从土壤中提取的活线虫的跟踪。gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba，从土壤中提取的线虫代表性图像(方法)。gydF4y2BabgydF4y2Ba，在土壤样品中鉴定出的活线虫总数。数据为平均值±标准差。gydF4y2BangydF4y2Ba=每天3个土壤样品。gydF4y2Ba
图7选择性田间钻孔和发芽试验结果(详见补充表gydF4y2Ba5gydF4y2Ba)．gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba，钻井试验1见表SgydF4y2Ba5gydF4y2Ba在自然条件下，连续两天用22只三尾种子传播者。gydF4y2BabgydF4y2Ba，雨锚种子在太阳出来后继续打孔，见表S打孔试验3gydF4y2Ba5gydF4y2Ba．gydF4y2BacgydF4y2Ba经过5天的4次降雨后，成熟种子载体比非成熟种子载体更容易发芽。在补充表钻孔试验1中，建立的种子发芽率为100%，外露种子发芽率为19%gydF4y2Ba5gydF4y2Ba．gydF4y2Ba
图8优化材料选择和加工方法。gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba，不同类型木材制成的弯曲驱动器的可塑性和驱动范围的比较。木条厚度~0.5 mm，成型直径0.8 mm。数据为平均值±标准差。gydF4y2BangydF4y2Ba每种木材= 3个样品。gydF4y2BabgydF4y2Ba不同类型木材种子体可塑性的比较。木条厚度约0.5毫米。gydF4y2BacgydF4y2Ba，化学洗涤时间对曲率变化的影响。对于两者(gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba)及(gydF4y2BacgydF4y2Ba)，数据为均值±s.d。gydF4y2BangydF4y2Ba= 3，厚度约0.5毫米，长度约3毫米，宽度约3毫米，用直径0.8毫米的芯棒模压而成。gydF4y2BadgydF4y2Ba、不同厚度木贴面，在不同直径芯轴上模压，洗涤时间为10分钟，模压质量比较。gydF4y2Ba
扩展数据图9在坚硬光滑表面上钻种载体的实验和模拟。gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba，模拟(上)和实验(下)的单尾设计种子车钻孔过程的快照。gydF4y2BabgydF4y2Ba，模拟(上)和实验(下)的三尾设计种子载体钻进过程的快照。gydF4y2Ba
补充信息gydF4y2Ba
补充信息gydF4y2Ba
该文件包含补充表1-5、注释1-12(包括图1-26)和参考文献。gydF4y2Ba
补充视频1gydF4y2Ba
自然gydF4y2BaErodiumgydF4y2Ba种子有一个不可避免的裂缝搜索阶段，这可能会对钻井效率产生负面影响，特别是在相对平坦的土地上。gydF4y2Ba
补充视频2gydF4y2Ba
天然和工程种子载体滴落试验。相比gydF4y2BaErodiumgydF4y2Ba种子有80%的机会平落地，这种三尾载体有90%的机会落地，保证身体与地面之间的角度，以提高钻井成功率。gydF4y2Ba
补充视频3gydF4y2Ba
比较了工程三尾种子载体和天然单尾种子载体的自钻成功gydF4y2BaErodiumgydF4y2Ba种子。gydF4y2Ba
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对三尾和单尾设计的自钻过程进行了实验和有限元模拟。三尾设计产生更大的力，因为多个尾尖和机身可以同时产生有效扭矩。gydF4y2Ba
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三种种子载体设计变体的自钻过程，包括三尾、双卷和大型系统，适合不同的用例。试验是在室内受控环境中进行的。gydF4y2Ba
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种子载体的制造工艺。gydF4y2Ba
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采用三尾种子载体，将樱桃美女萝卜种子与有益真菌共埋，捕获190 h。gydF4y2Ba
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种子埋藏9天后，在土壤中捕获的活线虫。gydF4y2Ba
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室外自然条件下连续7天自钻发芽成功，第一天间歇小雨2次，第二天雷雨暴雨1次，持续6小时以上。gydF4y2Ba
权利和权限gydF4y2Ba
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关于本文gydF4y2Ba
引用本文gydF4y2Ba
Luo, D.， Maheshwari, A.， Danielescu, A.。gydF4y2Baet al。gydF4y2Ba用于航空播种的自动自埋式播种机。gydF4y2Ba自然gydF4y2Ba614gydF4y2Ba， 463-470(2023)。https://doi.org/10.1038/s41586-022-05656-3gydF4y2Ba
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