摘要：时间记录是自然与社会的基石，比如12小时周期的植物生物钟以及沙漏记时等。如何将计时功能赋予形状可变结构实现自主的、时间调控的时空运动仍是一项重大挑战。这是因为这些结构通常会在外部力以及环境刺激下变形，但在外部刺激移除后，会立即恢复原状。它们通常缺乏对时空变形和

本文来源：知社学术圈

时间记录是自然与社会的基石，比如12小时周期的植物生物钟以及沙漏记时等。如何将计时功能赋予形状可变结构实现自主的、时间调控的时空运动仍是一项重大挑战。这是因为这些结构通常会在外部力以及环境刺激下变形，但在外部刺激移除后，会立即恢复原状。它们通常缺乏对时空变形和运动的可编程、类似时钟般的控制。

近日，北卡罗来纳州立大学尹杰教授团队发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）的最新研究中，提出了一种自主延时跳跃的超壳体结构，通过将黏弹性材料与单稳态结构相结合，以克服上述挑战。该超壳体具备可调的预存弹性能量，并内置“时钟”，可在驱动移除后实现可编程的自主延时弹跳。延迟时间范围从几秒至2.4天不等，跳跃高度则从超过9个体长逐渐降低至0.5个体长。

同时，研究人员还展示了该结构在自主爆炸式抛撒种子装置中的应用，实现了大范围全向撒种分布并具有较高的存活率。这一策略为构建具有自主时空变形能力的结构奠定了基础，具有在机器人技术、变形材料、生态系统以及智能系统等领域的广泛应用前景。

北京时间6月7日，PNAS在线刊发了这篇研究论文，题为“Programmable seconds-to-days-long delayed snapping in jumping metashells”。

自主延时弹跳超壳体结构

图1. 秒级至天级延时跳跃与旋转壳体的设计与演示。

这项研究的灵感来源于橡胶弹跳碗，将橡胶弹跳碗压成凹形放在平面上，几秒后它会自动弹起飞向空中。弹跳碗的延时跳跃主要由黏弹性引起的蠕变驱动，但其延迟时间较短，且在制造完成后缺乏时间上的可编程性。在本研究中，通过利用单稳态结构中预存的弹性能量与黏弹性材料的时间依赖性变形之间的相互作用，来解决上述限制。这种协同效应实现了类似沙漏的能量释放机制，使得在负载移除后，能够对延时弹跳过程实现从几秒到数天的精确控制。

壳体结构从一个平面的方形晶格出发，由聚酯材料制成，该材料在小应变（3%）下也表现出明显的黏弹性滞回现象。方形晶格由五个相连的八边形单元组成，带状连接片之间的重叠长度比（记作λ）决定了单元间的粘接程度。制作分两步完成：第一步，先将平面单元内部的带状连接片末端进行粘接，形成局部的球壳弯曲结构，预存弹性能；第二步，将侧边带状连接片粘接形成闭环结构，进一步增强和锁定弹性能。相比之下，传统弹跳玩具在制造完成后并无预存能量。第一步粘接贡献了大部分预存能量。通过调节λ值，可精确控制结构形状、刚度及预存弹性能。λ越大，结构越紧凑、越硬，储能越多。同时，聚酯材料即便在微小形变下也具有明显的黏弹性，配合λ值和按压时间（Th），能在驱动移除后通过材料的蠕变和应力松弛调控能量释放，从而控制结构的不稳定性转变和延时弹跳行为。

在压缩下，壳体变形为花状，并在顶端帽形反转后储存应力。保持按压一段时间Th后释放，结构不会立即反弹，而是因蠕变产生延迟反应，并在延迟时间Td后突然弹跳。Td受Th和λ影响，可调范围从数秒至2.4天。例如，λ = 0.5，Th= 0时，Td = 2.5秒，跳跃高度可达60厘米（约9个体高）；而λ = 0.3，Th = 80分钟时，Td达58小时，但跳跃高度降至6.7厘米（约1个体高）。延时弹跳过程中，结构还因次步粘接导致的不对称形变而在空中自旋。

可编程秒级到天级延时弹跳

通过将按压时间Th控制在临界稳定性转变时间Th_cr以下，黏弹性单稳态壳体能够展现出可编程的“时钟”行为，实现从秒级到天级的自主延迟跳跃。这一行为在图2中的延迟时间–按压时间曲线和归一化跳跃高度–按压时间曲线中得到了展示。这一策略为开发具有时空智能的软结构提供了重要范式。

图2. 壳体中可编程的时空延迟跳跃行为。

·秒至分钟级延迟（图2A）：当 Th

·分钟至小时级延迟（图2B）：当 Th增加至数十分钟，Td显著延长。λ = 0.5的 Td–Th曲线斜率更大，在 Th = 15分钟时 Td 超过1小时；相比之下，λ = 0.3在 Th = 35分钟时 Td仅为约48分钟。

·小时至天级延迟（图2C）：进一步延长 Th，延迟时间可达数天。当 Th接近临界保持时间Th_cr时，Td呈“J”型剧增，趋于无穷大，意味着结构进入永久双稳态，不再反弹。例如：λ = 0.5 时，Th从38分钟增加至40分钟，Td从约7.5小时急剧上升至约46小时（增加6倍）；λ = 0.3 时，Th= 80分钟可实现约58小时（2.4天）延迟，接近其 Th_cr ≈ 85 分钟。

·跳跃高度变化（图2D–2E）：随着Th增大，壳体结构经历应力松弛和能量耗散后，其跳跃高度也会随之降低。此外，该壳体结构同样可在多种软性地形（如沙地、水面、雪地）中实现延迟跳跃。尽管软性地基吸收部分能量导致跳跃高度略有降低，但其仍保持良好的自主跳跃能力。

应用：延时爆炸种子抛撒

图3. 自主爆炸式撒种的应用。

研究人员还探索了延时跳跃壳体结构在自主爆炸式种子抛撒中的潜力应用。种子传播对植物的生存与生物多样性至关重要，可帮助植物扩展至新的生长区域。在众多传播策略中，爆炸式种子传播是一种典型机制，一些植物可通过迅速释放弹性能将种子抛射至较远处。例如，凤仙花可通过快速断裂释放弹性能，以高达 4 m/s 的速度抛射种子。

受自然机制启发，仿生的爆炸式种子散布系统通常采用能量倍增策略，如卡扣、弹跳与裂解机制，将预存弹性能通过触发快速释放，转化为显著动能。然而，特别是对依赖瞬时弹跳的系统而言，实现自主且可编程的触发仍具挑战性。该工作通过引入延时弹跳壳体，以更加可控的方式实现自主触发的能量倍增，展示其作为自主爆炸式种子散布平台的潜力。

为实现该功能，在壳体八边形晶格底部的中心集成了一个凸起托盘，用于承载种子。按压过程中，壳体翻转，托盘升起并将种子牢固固定在内部。在回弹过程初期（t = 88 ms），托盘向下加速运动，而种子因惯性相对速度较小，开始与托盘分离。至 t = 96 ms，当壳体底部的八边形结构与托盘接触地面并触发弹跳时，托盘与种子间分离达到最大（约20 mm）。随后在 t = 101 ms，空托盘冲击正下方缓慢下落的种子，使其向四周飞散。冲击可将种子以最高约 5 m/s 的速度发射至 0.4 m 高度，实现广域均匀分布。在三轮测试中，种子均匀散布于以发射点为中心、半径约 0.75 m 的圆形区域内。此外，田间实测也验证了壳体在自然环境中可实现可编程延时弹跳与均匀播种的能力。在3分钟延迟后，壳体从松软土壤中自主弹跳，将100粒番茄种子散布在田间。15天后，这些种子均匀发芽并生长良好，展现出高存活率。与其他智能种子机器人或自埋型种子载体相比，这种延时跳跃壳体具有结构简单、可重复使用、可批量投送种子等优势。其可编程的时间控制和强劲的弹跳机制也增强了其在可持续农业与生态恢复中的实际应用潜力。

展望

该工作展示了一种集成可编程内部弹性“时间钟”的黏弹性单稳态壳体结构，能够实现从秒到天级的自主时空跳跃行为。该功能源于材料的黏弹性与结构预存弹性能之间的协同作用。

该壳体结构也可适用于其他黏弹性塑性材料，但其延时性能高度依赖于材料黏弹性与结构设计的耦合。展望该策略可推广至由多种响应型黏弹性聚合物构成的单稳态或多稳态结构，实现多样化的可编程自主时空运动，推动其在软体机器人、环境感知、生态恢复、医疗健康、可编程物质等领域的广泛应用。

北卡罗来纳州立大学博士生清海涛为论文第一作者，尹杰教授为本文通讯作者，其它作者包括博士生周才植和漆方杰。

论文信息：

Haitao Qing, Caizhi Zhou, Fangjie Qi, Jie Yin, “Programmable seconds-to-days-long delayed snapping in jumping metashells”, Proceedings of the National Academy of Sciences, 122 (22), e2503313122, 2025.

来源：人工智能学家