日常中我们可以观察到一些植物在日出日落时呈现出不同的姿态，这是由于植物可以通过感性运动来响应环境刺激。
基于植物响应环境刺激的灵感，香港大学Ho Cheung Shum团队尝试通过嵌入刺激响应材料，从而实现微流体装置对温度、湿度和光照的响应。此外，通过设计可折叠几何形状使其响应运动可以遵循预设的折纸转换。作者称这种设备为TransfOrigami微流体（TOM）。TOM可用作环境适应性显微反应器。它可感知环境刺激，并通过形态转化将它们反馈给光合作用转化。这种可变形微系统背后的原理可以扩展到需要环境和设备之间响应的应用，例如动态人造血管网络和形状自适应柔性电子设备。这项研究工作以“Plant-inspired TransfOrigami microfluidics”为题发表在最新一期的Science Advances上，并被选为当期封面论文。第一作者为Pan Yi。
【植物启发的可转换折纸微流体】
Oxalis corniculata在白天水平展开小叶将顶部表面暴露在阳光下，而在夜间则将小叶完全折叠。它的感性运动是由其叶枕受到光的刺激引起的。小叶以类似于折纸方形底座的形状折叠和展开。折纸方形底座因此可以通过变换来调整在水平面中暴露的上表面积。这些灵感表明设备应该采用薄而可折叠的折纸结构。此外，响应材料的选择也是至关重要。有机硅弹性体（PDMS）具有完善的软光刻技术来支持其微制造。PDMS可以通过功能材料掺杂和表面改性进一步功能化。将光热掺杂剂添加到PDMS中可以实现TOM装置中系统的光热响应。作者将刺激响应性变形折纸集成到薄的微流体芯片中以制造TOM。与迄今为止报道的其他响应性变形装置相比，这是第一个模拟由环境刺激触发的机械运动的模拟植物感性变形的微反应器。
图1 植物灵感TOM
图2 TOM的制造和表征
【环境响应的TOM变形】
为了定量分析TOM的折叠和展开性能，作者必须定义其折叠或展开的程度。在随后的实验设置中，器件的水平投影面积的变化不仅反映了TOM的折叠或展开变形，而且还允许在随后的光反应实验中估计其光收集能力。当暴露于光照射时，TOM随着时间的推移逐渐展开，而在低温和高湿度环境中，它逐渐折叠。作者通过测量展开百分比作为不同温度或光照度下不同情况下处理时间的函数来定量分析TOM的环境响应性，实验结果展示了TOM在户外应用的巨大潜力。
图3 TOM的温度、光照和湿度响应性
【基于变形的自调节光收集和通道结构】
作者预计由环境刺激引起的TOM的变形将进一步调节微反应器中的光反应。并假设TOM中的这种自我调节是通过其光收集能力和通道的重塑结构协同实现的。作者模拟入射光线通过TOM的三种变形模型后折射光能的变化。结果显示当TOM折叠时，低能射线的面积收缩，表明较少的光通过器件，因此较少用于光反应。除了其光收集能力之外，变形对光反应的另一个影响是它改变了反应微通道的体积。作者通过监测不同变形状态下的实时压力变化进一步研究整体变形如何改变通道结构。压力的变化表明，变形将调节具有内部流体速度的微流体系统中微通道的截面积。当TOM折叠时，其体积减小，反之亦然。因为较少的试剂可能流入折叠的TOM，所以每单位时间的反应效率降低。
图4 基于变形的光收集能力和通道结构的自我调节
【通过TOM进行适应性光合作用】
为了验证TOM变形对光反应的影响，作者设计了一个装置用于监测通过TOM的光合作用。包括注射泵、带有太阳模拟器的反应室、以及带有吸收光谱仪的光流池。反应室是系统中唯一可以发生光反应的区域，其另一个功能是模拟TOM外部环境的变化。作者设定两个条件来触发TOM折叠和展开验证了在具有相同光强度的后续实验中，将变形视为决定转换率的唯一因素是合理的。作者比较不同光强下TOM两种状态的实时转换变化。当该光反应器的结构固定在某种折叠或展开状态时，可以看到随着光变得更强，TOM的两种变形状态之间的转换率差异将被放大。作者通过在实时光合作用期间调节反应室中的湿度、温度和光照射，证明TOM可对环境的变形响应将对光反应提供实时反馈，就像植物对自然环境变化的响应一样。
图5 通过TOM进行适应性光合作用
【总结】
作者开创了由植物启发的变形折纸微流体技术，真正实现了适应性光合作用。该装置使用微流控芯片协调刺激响应性变形材料，微流控芯片基于对环境温度、湿度和光照的自驱动弹性体响应，按照预设的折纸折叠进行变形。该变形进一步应用于在系统中通过内置的正反馈控制来调节光合作用转换。变形微流体是一种基于智能物质的智能系统，可以为工业和仿生应用中智能软设备和人造脉管系统的发展开辟道路。
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