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树木可以茁壮成长，是因为它可以通过光合作用产生养分，实现自我供给。试想，能否让活性材料像树木光合作用一样自我强化？这是美国南加州大学维特比工程学院土木与环境工程教授Qiming Wang的研究课题，他的实验室是首批将活性物质注入3D打印墨水的实验室之一。近日，他在《美国国家科学院院刊》上发表论文，介绍了一种新材料，这种材料不仅具备自愈性，还可调节强度。
Wang说：“打印材料的仿生墨水的想法灵感来自树木，它们利用光合作用产生葡萄糖，转化为纤维素，加强植物的细胞结构。在年轻时，树木是相对柔韧的；而成熟后，它们又会变得坚硬。另外的灵感来源则是大力水手（Popeye），一个可以通过吃菠菜强化肌肉的动画角色。现在，我们正在用科学创新来实现童年的想象力。”
这项研究的研究团队包括南加州大学维特比分校博士生、麻省理工学院的Nicholas X. Fang教授和加州理工学院的Chiara Daraio教授。
首先，他们从超市买来的菠菜中提取了叶绿体，随后将叶绿体注入新发明的3D打印墨水中，再用墨水打印三维结构。通过对该结构施加光照，墨水中的叶绿体可以光合作用生成葡萄糖，葡萄糖与聚合物发生反应，使材料变得更加坚固。
研究人员认为2到4个小时的光照，就可以使这种材料自我强化到原有强度的6倍。不仅如此，活叶绿体诱导的强化作用还可以在低温（0度）时暂时中止——因为叶绿体在冷冻时会暂时停止工作。一旦温度恢复到室温，材料又可恢复强化效果。
“它就像一条冬眠的蛇。这种中止行为从未在现有工程材料中得到证实。”Wang教授说。论文第一作者Kunhao Yu指出：“这种技术与渐变光照结合，可以创造出硬度渐变的工程结构，它将表现出远超均质结构的独特‘缓冲’特性。”
另一个惊人的发现是，材料的加固效果可以通过外力调节。就像树枝在受到机械压力时（如从树枝上挂上重物）会变得更强韧一样，3D打印材料同样会在外力的作用下产生更多纤维素。该团队设想用这种材料设计定制的3D打印运动鞋鞋底，这种鞋底可以贴合脚型，实现不同的硬度水平。
某些植物在嫁接和伤口修复过程中表现出自愈能力。据称，注入叶绿体的新型活性材料也具备出色的自我修复特性。该特性源自光合作用产生的葡萄糖，葡萄糖能产生交联分子过程（本质上相当于制造缝合线）。在未来，这种裂纹修复能力可以应用于船舶螺旋桨甚至无人机的修复。
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编译：小贝
审稿：西莫
责编：陈之涵
期刊来源：《美国国家科学院院刊》
期刊编号：0027-8424
原文链接：https://phys.org/news/2021-01-machines-greens.html
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