科研动态 | 中山大学吴志刚教授团队在综合类顶刊National Science Review发文：揭秘风媒种子膜翼的力学奥秘与仿生设计启示

发布人：胡文清 责任审核人：罗愈业 发布日期：2026-03-12

研究亮点

        在自然界中，被子植物演化出了各种精妙的被动式传播种子，以风为媒介寻找和开拓新的栖息地。非洲火焰树，一种扩散能力极强的植物，其种子拥有一对超凡的薄翼，能乘风进行远距离传播。近日，航空航天学院吴志刚教授团队系统阐释了这枚种子翅膀背后的力学设计机理，揭示了其如何通过独特的异质结构，在轻量化、刚度、韧性及环境适应性间取得卓越平衡，并为新一代被动式微型飞行器的设计提供了崭新的思路。相关研究成果以“Ultrathin seed wing with heterogeneous structures for highly efficient dispersal of African tulip tree”为题发表于National Science Review期刊（中科院一区，IF=17.1）。中山大学航空航天学院2025届魏蒋坤博士、2022级本科生巫明燊为共同第一作者，中山大学航空航天学院吴志刚教授、德国基尔大学Stanislav Gorb教授、中山大学先进制造学院吴嘉宁教授为共同通讯作者，中山大学航空航天学院为第一通讯单位。

种子的力学构架：轻、韧、智的融合

图1 火焰树种子膜翼的超薄结构特性与复杂环境适应能力

 

        研究表明，非洲火焰树种子的膜翼是一个精心设计的自然杰作，其性能源于多层次的协同作用：

  1. 极致的轻量化与有效载荷：种子膜翼的主体为单层细胞结构，其最薄处厚度仅约0.4微米，比人类头发丝薄100倍。这使得翼展超过2厘米的翅膀，面积占种子总面积的90%，而质量仅占种子总重的约25%。这种结构实现了极佳的荷质比，使其平均下落速度可低至约0.3米/秒，远慢于许多同类飞行种子，为长时间滞空和风力传播创造了条件。

  2. 环境响应的智能变形：膜翼的力学行为会根据接触介质智能切换。在静态空气与湍流中，其刚度足以维持膜翼伸展形状，保障稳定飞行。当种子降落在湿润基质上时，亲水性的膜翼在毛细管力作用下会发生大变形，紧密贴合不平整的湿土表面。这种自适应变形显著增加了接触与附着面积，将种子锚定在利于吸水和萌发的微环境中，展示了从“飞行模式”到“附着模式”的无缝转换能力，并为被动式种子“导航”至水资源富集土壤提供了关键助力。

图2 膜翼微观异质结构组成与力学性质

 

  1. 异质复合的增强“叶脉”：这层超薄翼膜并非均质脆弱，其力学性能的关键在于一系列从中心向外辐射的“叶脉”状增强结构。研究通过多种显微与光谱技术揭示，该结构是一种典型的“外刚内柔”复合材料：叶脉由高模量的坚硬薄膜（主要成分为木质素）包裹高韧性的纤维素纤维芯构成。这种设计在宏观上提供了抵抗气动载荷所需的整体刚度，同时在微观上通过软硬材料的结合优化了断裂行为。

图3 膜翼异质结构变形能力的力学分析

 

  1. 定向的抗断裂（韧性）机制：在剧烈湍流中，种子高速旋转，其超薄膜翼面临断裂风险。研究团队发现，得益于上述异质结构，裂纹在膜翼中的扩展表现出明显的方向性：裂纹极易沿叶脉的轴向（径向）延伸，但很难横向（周向）穿透叶脉。力学测试表明，叶脉内部纤维的断裂韧性约为外部薄膜的8倍。这意味着，即使膜翼因冲击产生径向开裂，其气动外形和面积仍得以基本保持，飞行性能（如下落速度与距离）不受显著影响；而模拟实验证实，一旦发生周向断裂，飞行性能则会急剧下降。这种“引导裂纹走向”的机制，是一种高效的损伤控制设计。

图4 膜翼异质结构韧性与断裂定向控制

 

从自然原型到工程蓝图：可设计的仿生平台

        受此自然结构启发，研究团队提炼出核心设计原理，并将其转化为可定制的工程产品：

  1. 结构仿生与功能实现：团队模仿种子“薄膜-纤维”的异质增强模式，采用商业化的聚乙烯薄膜与尼龙纤维，通过热压复合工艺制造出具有径向增强筋的被动式微型飞行器。该人造翼在实现类似自然种子的缓慢飘落轨迹的同时，也继承了其在湍流中抗变形、抗断裂的稳健特性。

  2. 性能的可调控定制：与固定的生物结构不同，仿生飞行器的性能可通过关键参数进行调控。通过调整薄膜的尺寸（翼面积）和内部增强纤维的密度，可以精确调控其承载能力、终端下落速度以及在载荷下的形变程度，从而灵活适配不同的任务载荷（如各类微型传感器）与环境要求。

图5 被动式微型飞行器的仿生结构设计与性能测试

 

  1. 超越自然的应用拓展：该仿生平台展现出强大的应用潜力。其极薄的特点使得大量飞行器可被紧密堆叠，极大提升了存储和运输效率，适合无人机进行大规模播撒。同时，薄膜载体本身可作为多功能集成平台，能够嵌入或贴附pH传感、紫外线检测等多种功能单元。在实际外场测试中，从20米高空投放的微型飞行器，在微风条件下（0-4.5 m/s）平均飞行距离达数十米，最远可达212米。在应用实验中，大量此类携带pH指示剂的飞行器释放后，成功实现了对研究土壤区域pH值分布的快速测量及分布可视化，展示了其在广域环境监测中的应用前景。

图6 被动式微型飞行器的投放飞行性能与环境监测功能展示

 

结论与展望

        这项研究不仅深入解析了非洲火焰树种子膜翼如何通过一种巧妙的异质复合结构，在微观尺度上协同优化了轻量、刚度、韧性及环境响应性等多重力学性能，更重要的是，它将这种进化优化出的“自然图纸”翻译成了可量化、可调控的工程设计语言。所开发的仿生被动微型飞行器，不仅再现了生物原型的优异性能，更在可定制性与功能集成度上实现了突破，为未来面向大规模、分布式部署的环境传感网络、精准农业乃至生态研究，提供了一种受自然启发、性能可控的创新技术路径。这标志着仿生学研究从形态模仿向原理抽象和功能创新迈出了新的一步。

 

论文信息

期刊：National Science Review

题目：

Ultrathin seed wing with heterogeneous structures for highly efficient dispersal of African tulip tree

作者：

Jiangkun Wei#, Mingshen Wu#, Yongtao Dai, Peiyu Cao, Hao Yang, Zheng Chen, Jinzhao Yang, Zhigang Wu*, Stanislav Gorb*, Jianing Wu*

DOI：

https://doi.org/10.1093/nsr/nwag132

 

供稿 | 魏蒋坤

排版 | 梁靖靖

初审 | 吴嘉宁 张怀钦

审核 | 张锦绣 赵晓江

审定发布 | 罗愈业


 

 

扫描此二维码分享