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授粉，将花粉从雄蕊转移到雌蕊，帮助植物结出果子。全球四分之三的农作物都需要授粉，其中很多需要蜜蜂、蝴蝶这些传粉昆虫的帮忙。
一只满身花粉的蜜蜂 | Pixabay
然而，因为气候变化和杀虫剂滥用等问题，全球范围内能帮助授粉的昆虫数量严重下降。当然，人们可以用棉签或小刷子进行手工授粉。但是，这种方法的人工成本太大。而且花粉的收集成本很高，经不起使用鼓风机之类的设备进行大范围喷洒。
宫古英次郎（Eijiro Miyako），一直在思考如何能高效、经济地给花朵进行人工授粉。
宫古英次郎，日本北陆先端科学技术大学院大学的副教授，研究领域涉及化学、生物工程、纳米科学 | nanooze.org
蚂蚁屁股涂胶水
如果观察一只蜜蜂，会发现它的腿上和腹部有一些绒毛，这些小毛毛能够粘上花粉从而完成后续授粉过程。
所以，要想设计一种人工授粉工具，首先面对的问题是如何粘上花粉。
宫古英次郎的解决方案是——开发一种特殊“胶水”。
这种胶水准确来说是一种凝胶。常规凝胶主要由水制成，但水的蒸发会造成凝胶变质。而英次郎开发的这种凝胶，主要成分是一种离子液体（ionic liquid）。
离子液体是一种在室温下呈液态的盐，即使放在真空或热烤箱中，也不会蒸发。因此，这种离子液体做成的凝胶能长时间地保持黏性。
英次郎所开发的离子液体凝胶的成分与合成方法 | 参考文献[1]
说起来，发现这种凝胶的过程还挺巧合的。在一次采访中，英次郎坦言道，十年前他做了另一个完全不相关的实验，这个凝胶就是当时遗留下来的样品，一直放在抽屉里。
两年前，他实验室搬家，收拾东西时，才猛然发现这个十年前的样品。没想到，这些年来，凝胶的大小、体积和黏度都没有改变。而且，离子液体凝胶也有很好的润湿性，能方便地涂在毛发或者皮肤表面。
英次郎意识到这种凝胶也许能用来粘花粉。
于是，他找来一些蚂蚁，在蚂蚁屁股上沾了点凝胶“胶水”，再把蚂蚁放到郁金香的花朵中。
（虽然论文中并没有提及，但作者猜测这些蚂蚁可能是英次郎在实验楼外面的草地抓的，花也是在附近找的）
将胶水涂在蚂蚁屁股上，然后将蚂蚁放到花朵中 | 参考文献[1]
经过观察，这些蚂蚁在花中移动时，身上会附着大量的花粉粒。通过显微镜放大，涂了胶水的蚂蚁身上粘的花粉数量远远超过了普通蚂蚁。
（左）涂了胶水的蚂蚁，腹部沾满了花粉；（右）没有涂胶水的蚂蚁，几乎没有沾上花粉 | 参考文献[1]
考虑到了一定有很多关心蚂蚁健康的朋友。英次郎连续观察了好几天“胶水蚂蚁”，它们活得好好的，也没出现运动方面的问题。
总之，屁股上涂了胶水的蚂蚁有成为“蜜蜂接班人”的潜力。
当然，蚂蚁没有给花传粉的责任。自然界还是讲究一个各司其职，分工配合。为了避免蚂蚁肩上的负担过于沉重，英次郎将目光投向了无人机。
无人机加马毛刷子
现在市面上有很多小巧的无人机，价格也不贵。英次郎买了一种大小只有几厘米的无人机。
好嘞，可以在无人机上涂胶水了。
因为无人机没有屁股，所以要给它加点毛发，用来模拟蜜蜂体表的绒毛。
英次郎搞来了一些马鬃毛，准备粘在无人机上。然而，这些马毛都是杂乱无章趴着的，毛发的很多表面利用不上，能沾上的花粉量也有限。
为了让马毛立起来，英次郎在粘着马毛的基板上施加一定的电压，由于静电作用，这些马毛就一根根地立了起来，形成垂直排列的毛发阵列。这和冬天脱毛衣，静电会让头发立起来的道理一样。
在马毛阵列上涂上离子液体凝胶“胶水”，马毛的状态也没怎么改变。
（左）施加电压后，马毛立了起来；（右）涂上“胶水”马毛阵列也没有倒塌 | 参考文献[1]
最后，再将这挺立的马毛垫子贴在无人机下面，一只人造蜜蜂就做好了。
当无人机触摸花朵时，涂了胶水的马毛就能大量地捕获花粉。
无人机+马毛组成的“人造蜜蜂” | jaist.ac.jp
实验室的小伙伴们，在不远处控制着无人机，让这只“人造蜜蜂”不断在花朵间盘旋，下落，完成一只授粉工具的职责。
无人机授粉过程 | CNN
当然，这只“人造蜜蜂”也有很多缺点。比如它需要人来操控，每只人造蜜蜂，需要配备一个优秀的人类无人机飞行员。更糟糕的是，虽然无人机只有不到4厘米，但它的冲击还是太猛了，很容易就把花朵打坏了。
开飞机吹泡泡
英次郎的人工授粉陷入停滞。如何克服无人机授粉的这些缺点？这些问题一时没有好的答案。难道只能等到更精的密无人机、更先进的控制系统被开发制造出来？
他和儿子一起玩泡泡，边玩边思考这些问题。
看到肥皂泡击打在儿子的脸上，英次郎再次有了灵感——也许泡泡能够用来授粉。
想必英次郎的儿子此时会疑惑：不过是吹个泡泡，爸爸为什么这么开心？
就这样，英次郎开始和同事鼓捣起泡泡了。泡泡中的关键成分是表面活性剂，表面活性剂的种类五花八门，如何找到自己的本命泡泡，需要耐心探索。
他们将花粉和不同的表面活性剂进行混合，不断调试配比。在这一过程中，英次郎发现在泡泡形成时，表面活性剂会转变为双层分子，其中头部朝向水膜，尾部朝向空气。花粉粒则会被泡泡溶液挤出，吸附在薄膜表面。
泡泡中表面活性剂形成双层分子，将花粉推到泡泡膜的表面 | 参考文献[3]，汉化：圆的方块
在实验了多种泡泡配方之后，英次郎团队选择了0.4％浓度的椰油酰胺丙基甜菜碱(lauramidopropyl betaine)。
这个配方吹出的泡泡，比较结实，环境危害也较小，按照英次郎的说法“你甚至可以喝它”。
他们吹的泡泡，每个能黏上2000粒花粉。甚至还可以在泡泡溶液里加一些含有硼、钙钾的营养素，以增强花粉萌发。更重要的是，泡泡足够轻巧柔软，落在花朵上，不会破坏花蕊。
泡泡落在花蕊上 | 参考文献[3]
英次郎和助手将花粉泡泡溶液装满了气泡枪。带着精良的装备，他们走进了一个果园，向园中的梨花开了枪。
泡泡枪可以直接发射沾有花粉的泡泡 | 参考文献[3]
实验中，英次郎他们在每朵梨花上喷了2~10个泡泡。16天后，这些经过泡泡授粉的花，95%都结出了果实，这与传统手工授粉结果率相同。没有授粉的对照组结果率只有58％（风和昆虫帮忙授了一小部分粉）。
泡泡【*****智伍应用提示您：未购买正式版授权，功能受到影响！！请根据最上面的引导提示，自助购买正式版授权，自动开通！！在线客服微信：ccccyyyy4444，官方网站：zhiwu55.com*****】 | 参考文献[3]
经过计算，泡泡授粉所需要花粉粒要少得多。传统用小刷子的手工授粉，一次要消耗1747毫克花粉。泡泡法只要两三个肥皂泡就能完成一次授粉，每次只要不到0.1毫克的花粉。
英次郎满意地放下了枪，开始打造进化版的“人工蜜蜂”。
这次的无人机是个大块头，因为需要驮着满满的泡泡液。助手还改造了一个自动泡泡机，把它悬挂在GPS控制的无人机上。
这台颇具气势的飞行器堪称“授粉界王者”——每分钟能发射5000个花粉泡泡，还能从2米的高度以90％的成功率命中花朵。
无人机下面悬挂泡泡发生器 | 参考文献[3]
当然，即便是授粉王者，也还是有局限。泡泡授粉法在刮风下雨天就无法施展。不过话又说回来，刮风下雨的日子，蜜蜂们似乎也不太努力工作。
小结
从放在抽屉里10年的样品，到儿子玩耍时吹出的泡泡，宫古英次郎的人工授粉之路，还在继续。
他向我们展示了科研性与趣味性的结合，做出了真正的“好玩的科学”。
最后，让我们感受下花粉泡泡机的威力。
泡泡授粉法中无人机下悬挂的自动泡泡机 | 参考文献[3]
piu piu piu~~
作者名片
作者：圆的方块
编辑：悲催的铊宝宝
排版：凝音
题图来源：参考文献[3]
参考文献：
[1] Chechetka, S. A., Yu, Y., Tange, M., & Miyako, E. (2017). Materially engineered artificial pollinators. Chem, 2(2), 224-239.
[2] Rogers, K. (2020). With bees in short supply, soap bubbles could assist with pollination, study finds. https://edition.cnn.com/2020/06/17/world/soap-bubble-robotic-pollination-study-scn/index.html
[3] Yang, X. & Miyako, E. (2020). Soap Bubble Pollination. iScience, 2020, 101188
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发表于 2020-11-27 11:23:16
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