【2023年10月28日訊】（記者林達編譯報導）新研究發現，種子較重的金縷梅具有較大的莢，可以儲存更多彈性能量，從而能將種子以子彈一樣的速度發射出去。研究此類植物種子的彈簧機制，為開發科技產品提供了新穎的思路。
金縷梅（witch hazel）這種開花灌木植物通常因其在民間醫學及天然外用藥膏的用途而聞名。但生物物理學家和工程師也對這些種子感興趣，因為借助其內置的彈簧加載機制，金縷梅的莢可以極快地將種子射出。現在，杜克大學（Duke University）的研究人員已經弄清楚了為什麼（與預期相反）種子發射速度大致相同，儘管不同物種的種子可能具有明顯不同的質量。8月23日發表於《英國王家學會交叉學科》（ Journal of the Royal Society Interface）期刊上的一篇新論文描述了這一研究結果。
「人們總是問我，『你為什麼要研究植物及其種子』？」合著者、杜克大學研究生賈斯汀·豪爾赫（Justin Jorge）說。 「因為它們具有奇怪的彈性。講到彈性，通常我們會想到橡皮筋、線圈或弓箭。就生物學而言，這些奇怪、複雜的形狀都存在其中。也許其中有些特點可用來改進人工彈簧的設計，例如小型跳躍機器人中使用的彈簧，但首先我們需要了解這些生物彈簧的工作原理。」
根據豪爾赫及其合著者、顧問希拉·帕泰克（Sheila Patek）的說法，自然界中有無數生物性彈簧的例子，涵蓋了各種尺寸和功能，包括沫蟬（froghopper）、彈球菌（cannonball fungus）、和肉食性狸藻（carnivorous bladderwort）植物陷阱等等，全用這類機制來彈射物體。鉅針蟻（Trap-jaw ants）利用彈簧驅動來彈射下頜來捕獲獵物，而蚱蜢則用其富有彈性的腿來踢開捕食者。像金縷梅這樣的開花植物則利用彈簧機制將種子從果實中發射出來。
豪爾赫對金縷梅非常著迷，因其基本機制涉及光滑的彈射種子和包裹它的堅硬結構，稱為內果皮（endocarp）。當需要傳播種子時，木質內果皮開始脫水變乾從而變形，這種變形會對種子施加壓力。但種子也會抵抗這種變形力，因此內果皮中所有潛在的能量會產生並集聚壓力。最後，壓力變得夠大，足以衝破種子受到的阻力，種子就被強力彈出，通常在半毫秒內達到每秒 30 英尺的速度。更快的速度意味著更好的種子傳播，這樣物種就得以傳宗接代。
為進一步研究此彈射機制，豪爾赫首先從北卡羅來納州達勒姆的杜克花園和杜克森林收集了金縷梅「屬」（genus）下的三個不同「種」（species）的植物果實。使用氰基丙烯酸酯膠將每個完整的水果通過底部附著在一個金屬塊上（以便內果皮可以自由反衝）。然後將金屬塊固定住，並用高速攝像機以每秒100,000幀的速度拍攝被發射出的種子，同時自動跟蹤種子的軌跡。發射後，豪爾赫收集了種子，並對它們進行了各種材料表徵測試，此外還測量了種子和內果皮的質量，以計算這兩個變量之間的比率。
彈射物的質量和速度之間通常具有此消彼長的關係，例如，十字弓所發射較重的箭比較輕的箭速度會更慢。但這兩人發現，儘管金縷梅種子的質量不同，但其發射速度基本相同。 有些種子的重量比米粒還輕，只有15毫克，而另一些種子的重量是米粒的十倍。
「對於較重的箭，如果弓弦拉得更遠，或者使用不同的弩需要更大的力或位移，從而可以存儲更多的彈性勢能，那麼弩就能以與較輕的箭相似甚至更快的速度射出較重的箭，」豪爾赫和帕泰克這樣解釋道。金縷梅也有類似的適應能力。種子較重的也有較大的內果皮，可以儲存更多的彈性勢能。研究的下一步將分析金縷梅種子在空中飛行時所受到的各種力。
從此類研究中吸取的經驗教訓可以幫助改進機器人馬達和彈簧驅動系統。 兩人表示，金縷梅種子使用單一結構同時作為馬達和彈簧，這是一個顯著的優勢。例如，2021年的一項研究報告稱，受植物啓發，開發出了一種能跳躍的合成水凝膠，可利用彈簧機制進行驅動實現跳躍。兩人總結道，這「揭示了利用環境能源驅動的潛力」。 「金縷梅與其它種子植物提供了大量例子，表明材料和幾何形狀是怎樣用於組合式馬達-彈簧結構的。」 ◇
