捕蝇草运动的生物微观力学机制及仿生材料研究

以达尔文称为最奇妙植物之一的捕蝇草为研究对象，探索植物应激运动的微观力学机制。捕蝇草既无神经也无肌肉，却能对外界刺激做出快速闭合反应，是研究植物快速运动的理想体系。针对以往研究或仅侧重于宏观形态变化或停留于液压/动作电位变化假设的局限性，本研究在实验中发现了死体（刺激感应毛无效）也存在双稳态，并采用表面张力/残余应变构建模型，为揭示活体（刺激感应毛有效）的闭合机理提供坚实的基础；并将对活体进行宏观力学、微观力学、电化学等实验。利用实时监控观测宏观变形机制，电镜等表征手段观察微观结构，液氮法快速冷却技术研究其刺激滞后规律，荧光跟踪法观测微流体运动，电刺激法测内部电荷移动以寻找电学和力学耦合关系，将结合微观力学和流体力学，构建相应模型揭示捕蝇草捕食时的触发机制、快速闭合机制及异常的滞后闭合机理。并在此研究基础上开发新型智能仿生材料，亦具有十分广泛的工程应用前景和良好的经济效益。

通过组织培养快速繁殖技术培育捕蝇草，利用显微结构分析技术研究其叶片及各器官功能，采用刺激感应毛、刺激中脉以及侧面触碰式触发方式探索捕蝇草闭合方式，模拟其生长与快速闭合，提出了叶片与中脉相互耦合引发的新的捕蝇草闭合机制，并根据模型设计和制备仿捕蝇草装置。捕蝇草叶片经过数次闭合—打开—再闭合—再打开或者脱水等其他生物物理原因可以导致刺激感应毛无效，针对这种类型的叶片加载外力，对其进行运动学分析，发现其依然存在快速闭合这一现象，并发现捕蝇草的部分叶片中还存在双稳态效应。受此启发，我们系统性地研究了双稳态（马鞍形）板壳结构的力学原理，结合Fӧppl-von Kármán弹性理论方程组和变分法原理，提出并建立了一个全面的、三维的、无自接触的螺旋弹性结构理论模型。通过理论分析和实验，基于几何非线性，讨论了双稳态的几何和力学条件：两个关键性的无量纲参数，并通过边界效应计算可知更趋于哪种稳定态。并利用有限元分析软件，模拟双层同种弹性材料在不同预应变下自组装结构变形行为。计算中发现还有螺旋双稳态形态，螺旋双稳态与螺旋单稳态间相互转化可以通过几何参数变化实现，并用实验证明该理论在尺度上无限制，微结构同样具有适用性。在变半径和变宽度螺旋中，以海钉螺表面形态为模拟对象，获得仿海钉螺表面形态，并从实验和理论共同验证和预测了细螺旋弹性带手性变换过程。