仿生设计的第一步是对原型对象的定量刻画。研究团队采集了草地婆罗门参（Tragopogon pratensis）果实并系统表征其形态与飞行参数。该果实由两部分构成：上部为冠毛（pappus），即承担降落伞功能的放射状毛状结构；下部为细长的喙部（beak），内部包藏胚以备萌发。天然果实平均质量 28.4 ± 1.7 mg，其中冠毛仅占 16.5%；冠毛由肋与毛组成，投影面积达 3.25 ± 0.86 × 10−4 m2，投影孔隙率 85.9% ± 4.0%，与文献报道值吻合。喙部横截面呈环状，内层为紧密排列的木质化纤维细胞以增强刚度，外层为薄壁细胞，截面孔隙率约 55.0%。
自由落体测试给出落速这一核心指标。果实自 2.0 m 静止释放，平均终端落速为 0.61 ± 0.06 m/s。据此可计算两个无量纲气动参数。雷诺数按式（1）定义：
代入实测值得 Re = 2306 ± 303，表明绕流处于过渡流态区间。阻力系数由式（2）给出：
计算得天然果实 CD = 3.82 ± 0.81。这一高阻力系数正是降落伞式散布单元的特征：以大面积、高孔隙的柔性结构换取最低的垂直落速（0.3–0.7 m/s 量级），从而最大化风媒散布的距离与时间窗口。
图1｜天然 Tragopogon pratensis 果实的形态学与空气动力学表征。（a）果实整体照片，显示冠毛与喙；（b）冠毛中部肋结构光学显微像；（c）冠毛毛状体显微像；（d）冠毛正面视图；（e）二值化图像，用于投影孔隙率与面积测算；（f）甲苯胺蓝染色的喙部横截面，显示环形结构；（g）喙部截面二值化；（h）果实自由落体过程叠帧。
材料选择上，团队没有沿用聚酰亚胺或 PLA，而是选定了醋酸纤维素（cellulose acetate, CA）。CA 是纤维素的乙酸酯化产物，属线性多糖类聚合物，具备三项与本任务高度匹配的特性。其一，力学与加工性能适配：杨氏模量约 1.5 GPa，且在丙酮中的溶解度可达 30% w/v，为溶液法直写与注塑提供了宽窗口。其二，明确的生物降解路径：降解起始于含酯酶微生物对乙酰基的水解，随后纤维素主链由含纤维素酶的生物体进一步分解；在 53 °C 实验室堆肥条件下，微米级 CA 薄膜 30 天内即可消失，VGF（果蔬园林废弃物）堆肥测试中 200 天内完全降解，潮湿土壤中 2 个月出现劣化、4–9 个月解体。其三，安全性有据可查：大鼠经口急性实验中，5000 mg/kg 体重/天剂量下连续 94–96 天未见不良反应。对一类计划大面积撒布于田野的一次性载体而言，这三点共同构成了"零残留"设计的材料学基础。
人工果实的冠毛由纯 CA 溶于丙酮（25% w/w）形成的墨水经 DIW 直写成型。结构设计沿用同心径向方案以模拟天然冠毛的肋-毛拓扑：34 根径向肋，长度 18.79 ± 0.04 mm、宽度 0.67 ± 0.06 mm；9 圈同心圆环，半径自 9 mm 递增至 20.5 mm、宽度 0.62 ± 0.04 mm，用以模拟天然冠毛的毛状体。打印件平均厚度仅 19.1 ± 2.7 μm，冠毛质量 26.4 ± 2.2 mg，与天然冠毛量级相当。
从直写工艺角度看，该体系与颗粒浆料 DIW 有本质差异：墨水中不含颗粒相，无屈服结构可依赖，湿丝的形状保持完全依赖丙酮快速蒸发引起的局部黏度骤升与固化。这要求挤出流量与移动速度严格匹配——流量偏低会导致线宽不足甚至断丝，偏高则线宽超差、厚度增加，直接改变气动面阻力特性。同时，微米级厚度意味着单层沉积后干燥极快，路径规划需在溶剂挥发完成前完成相邻圈的搭接，否则层间结合力下降。图 2 与图 3 显示，打印肋与同心圈交错成网、轮廓完整，验证了该溶剂型墨水在微米级线宽下的成型稳定性。
图2｜人工果实的增材制造设计与装配。（a）人工婆罗门参整体照片，显示冠毛与喙；（b）DIW 直写醋酸纤维素冠毛的肋与同心圈显微像；（c）冠毛与多孔连接盘装配正视图；（d）木质素溶出后多孔连接盘表面显微像；（e）冠毛二值化图像，用于投影面积与孔隙率测算；（f–i）喙部注塑成型件及溶出前后的截面对比；（j,k）人工冠毛与整装果实的自由落体叠帧。
图3｜DIW 直写冠毛的肋-毛结构显微像。径向肋与模拟毛的同心圆圈交错成网，线宽亚毫米级、厚度约 19 μm，构成降落伞式的低落速气动面（原文图 2b 局部放大）。
喙部与连接盘采用另一条工艺路线：将 CA 与碱木质素按 20/20/60% 质量比共溶于丙酮，先成型后溶出。碱木质素颗粒粒径 83 ± 37 μm，作为致孔剂分散于 CA 基体中；成型件入水后，木质素被浸出，原位留下平均 74 ± 33 μm 的微孔，构件减重约 50%。多孔连接盘质量 6.7 ± 0.5 mg，孔隙率 76.5 ± 1.1%，以 CA 丙酮溶液为胶粘剂与冠毛装配。喙部则通过圆柱形硅胶管注塑成型（内径 1.3 mm、长度 4.45 mm，与天然喙等长），溶出前质量 43.7 ± 1.7 mg，溶出后降至 20.7 ± 1.3 mg，孔隙率 76.2 ± 0.4%，与天然喙的 24.2 ± 0.5 mg 处于同一量级。整装后的人工果实总质量 53.8 ± 4.0 mg。这一"聚合物骨架 + 可溶致孔剂"的组合，在不牺牲结构完整性的前提下把非承载部位的质量压到最低，是整体落速能够贴近天然原型的关键之一。
图4｜木质素溶出后多孔连接盘的微孔形貌。碱木质素颗粒被水浸出后留下平均约 74 μm 的微孔，孔隙率约 76.5%，构件减重约 50%（原文图 2d 局部放大）。
气动测试结果显示，人工冠毛（不含喙）落速 0.46 ± 0.03 m/s；整装人工果实落速 0.65 ± 0.05 m/s，与天然果实的 0.61 ± 0.06 m/s 统计一致，对应 Re = 2333 ± 202、CD = 1.55 ± 0.22。值得注意的是，人工果实的阻力系数显著低于天然果实的 3.82。作者将此归因于形态差异：天然冠毛由较厚的肋阵列与更纤细的毛组成，而人工冠毛为规整的同心圆环，两者周围流场结构不同。由此得出的推论具有普适意义——文献中针对天然果实拟合的 CD(Re, m) 多项式不能移植到人工几何上，反之亦然；气动模型必须针对具体几何标定。
为预测散布距离，团队采用风媒散布研究中常用的弹道模型，如式（3）所示：
在动力学层面，团队建立了包含空气阻力的下落方程，即式（4）：
以人工果实参数数值积分，模型给出终端速度 0.68 m/s、触地时间 2.97 s，与实验吻合良好；终端速度在约 0.21 s 内即已达成，远短于总降落时间，说明落速指标一旦达标，散布距离主要由释放高度与风速决定。这一模型框架为后续按指定落速设计不同冠毛几何提供了设计工具。
播种验证中，团队以羧甲基纤维素（CMC）这种水溶性可降解胶粘剂将芥菜种子（质量 5.5 ± 1.0 mg）粘接于人工喙末端，自 1 m 高度释放至模型土壤，并以喷水模拟降雨与径流促进埋藏。生长箱内孵育 3 天后，5 组样品的芥菜种子萌发率达到 100%。进一步地，10 天后拔除植株称量：与人工果实耦合组的植株生物量为 45.6 ± 6.8 mg，未耦合对照组为 43.4 ± 5.3 mg，两者无统计差异，证明粘接方案对种子活力与幼苗生长没有负面影响。相较于此前仅能在地面 crawl 的湿度驱动自钻孔载体，这种降落伞式载体把散布环节交还给风，把定位精度交给释放高度与气象条件，两者互补构成完整的飞播链路。
环境监测端，团队将显色指示剂嵌入多孔 CA 结构，借助无人机相机拍照与颜色定量提取实现"无线"读数。pH 指示剂由通用指示剂溶于 CA/碳酸氢钠/丙酮体系后 3D 打印成盘，再以碳酸氢钠晶体（108 ± 53 μm）为致孔剂溶出成孔，得到孔径 151 ± 47 μm、孔隙率 55.3 ± 3.1%、质量约 6.8 mg 的多孔显色盘。以 pH 4–10 缓冲液标定，归一化绿度值与 pH 呈良好线性（R2 = 0.999）。模拟酸雨实验中，pH 4.2 的酸性水滴使指示盘由黄变红，颜色回读值为 4.1，精度约 98%。硝酸盐监测则将商业显色指示剂耦合于多孔连接盘，分别投放于空白土壤、高硝酸盐污染土壤（1000 mg/kg）与商业壤土；径流模拟后显色分析给出的硝酸盐释放量分别为 8.1、446 与 210 mg/L，其中污染组的理论值为 500 mg/L，精度约 90%。作者同时指出，此类读数反映的是水浸出液浓度而非土壤绝对含量，适合作为土壤肥力、干旱与污染状况的初步定性筛查。由于多孔 CA 结构原则上可嵌入任何显色敏感分子，该平台对其他理化参数的扩展只需更换指示剂配方，无需改动载体结构。
图5｜空中播种与显色监测应用演示。（a）CMC 粘接芥菜种子的多孔喙；（b–d）Day 0/3/6 的落土、萌发与生长过程；（e）幼苗放大像；（f）pH 指示剂的 RGB 标定曲线；（g,h）集成于人工冠毛的 pH 指示剂在酸液滴加前后的显色对比；（i–k）商业硝酸盐指示剂在空白土壤、污染土壤与壤土上的显色；（l）硝酸盐浓度标定曲线。
就服役与退役的平衡而言，CA 在不同水环境中的老化数据显示：湖水、海水与人工海水中浸泡 12 个月，失重仅 5%–10%，属温和降解，保证了撒布后数月内的结构有效性。光降解方面，CA 仅对波长短于 280 nm 的紫外光敏感，日光下因缺少相应发色团而光降解有限；添加二氧化钛等光催化组分可显著增强其光降解性，这为大规模撒布场景下进一步缩短环境残留时间提供了材料学抓手。作者还展望了两个演进方向：一是与湿度驱动的自钻孔载体（如天竺葵属果实启发的三尾钻地结构）串联，实现"风散布 + 自埋藏"的全链路；二是在冠毛与喙之间引入湿度或光响应致动器，按环境刺激调制两者夹角，从而主动改变落速。
该工作以单一可降解聚合物贯通了"结构材料-墨水-工艺-功能"全链条：DIW 直写解决微米级气动面的成型，注塑-溶出解决非承载部位的轻量化，显色指示剂嵌入解决无源监测，种子粘接解决播种载荷。对 DIW 设备开发而言，这条路线提出了几项具体要求：其一，丙酮基溶剂墨水对供料系统的耐溶剂性与密封性有明确约束，料筒与针头材料需规避溶胀与腐蚀；其二，纯溶液体系无颗粒屈服相，挤出流量与移动速度的匹配精度直接决定微米级线宽的成败，低脉动挤出是前提；其三，同心径向路径的圈间搭接窗口受溶剂蒸发速率约束，路径规划需支持可编程的层间与圈间停顿；其四，溶出成孔属于湿法后处理，产线需预留水浴浸出与干燥工位的接口。铂邦科技 DIW 设备支持多材料路径规划与工艺参数库，可为溶剂型墨水的打印窗口标定、同心结构的填充策略优化与后处理工序衔接提供硬件与算法支撑。
综上，Mariani 等以醋酸纤维素为唯一结构材料，通过 DIW 直写冠毛、注塑-溶出成型多孔喙与连接盘，构建出首个降落伞式可生物降解人工飞行器；整装落速 0.65 m/s 与天然婆罗门参果实统计一致，空中播种演示实现 3 天 100% 萌发，显色监测对降雨酸度与土壤硝酸盐的读出精度分别达约 98% 与 90%。该路线证明了"零电子件、零残留"的环境撒布方案在工程上的可行性，也为可降解多孔轻量化结构的直写制造提供了可复现的工艺参照。
铂邦科技是 DIW 浆料直写 3D 打印设备厂家，设备软硬件全栈自研，内置诸多工程算法，可快速构建网格、晶格、二十四面体等平面与三维结构；算法一键生成点阵打印代码，并支持手绘建模，无需 CAD 工程背景。全栈工程师团队，支持你提想法、我们开发算法加硬件。
此外，我们也提供从料筒、针头到挤出模块的全链条通用配件，兼容不同品牌的主流 DIW 设备（不区分设备品牌），并支持整机定制开发与设备升级。
📌 持续跟踪 DIW 前沿？关注「铂邦科技」公众号，获取更多文献解读与原创工艺手记。查看全部技术前沿 →
扫码关注，第一时间获取 DIW / DLP / 静电纺丝 3D 打印技术前沿、顶刊解读与设备资讯
微信扫一扫，或长按识别二维码关注
正在加载推荐文章……