新加坡南洋理工大学团队发明能与植物“交互通讯”装置,为农业应用打开了大门

发布者:bpadmin
发布时间:2021-03-31 04:16
分类:全部资讯 农食科技 原创内容 最新动态 研究报告
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城农获悉——新加坡南洋理工大学的研究团队已经开发出一种可以跟植物进行电信号交流的设备,为利用植物的新技术打开了大门。农业专业人士可以使用这种设备与植物“通讯”,采取预防措施来保护农作物。



南洋理工大学的研究小组开发的植物“通讯”装置,是通过水凝胶粘合剂,在维纳斯扑蝇草的表面附着可整合的电极。以此,研究团队实现了两件事:抓取电信号以监测植物对环境的反应;将电信号传输到植物控制叶子的开合。这项研究发现发表在1月份的《自然·电子学》(Nature Electronics)杂志上,展示了基于植物的技术系统未来设计的前景。

科学界在几十年前就知道植物会发出电信号来感知环境并对其做出反应。然而,植物的电信号非常微弱,只有当电极与植物表面良好接触时才能被检测到。由于植物表面多毛、蜡质和不规则构造,这使得任何电子设备都很难连接并实现可靠的信号传输。

为了克服这一挑战,研究小组从医疗心电图中获得灵感。作为概念验证,该团队研究人员将他们的植物“通讯”装置粘附在维纳斯扑蝇草的表面。扑蝇草是一种肉食性植物,叶片触发后会关闭,捕捉昆虫。

这种植物“通讯”装置直径为3毫米,对植物无害,不会影响植物光合作用的能力。使用智能手机以特定的频率向该装置发送电脉冲,研究团队在1.3秒内激发扑蝇草合上叶片。

这种监测植物电信号的能力可以为一系列实际的农业应用创造机会,比如早期检测作物疾病,采取预防措施来保护农作物,帮助增强粮食安全。

该研究的通信作者、新加坡南洋理工大学材料科学与工程系教授陈晓东说:“气候变化正威胁着世界各地的粮食安全。通过监测植物的电信号,我们可能检测到植物求救信号和异常情况。在农业场景中,农民甚至可以在作物出现全面症状之前就知道疾病正在发生。这让种植者有机会迅速采取行动,最大限度地提高作物产量。”

另外,研究人员还将扑蝇草安装在机械臂上,并通过智能手机和“通讯”装置刺激它的叶子合上并捡起一根直径为半毫米的金属丝。所以,这种方法可能还有助于创造更灵敏的机器人抓手来拾取易受伤害的脆弱物体。

为了改善植物“通讯”装置的性能,该团队还与新加坡科技研究局(A*STAR)下属的材料研究与工程研究所(IMRE)的研究人员进行了合作。通过使用一种新式水凝胶,在室温下逐渐从液体转变为可伸缩的凝胶,可以将“通讯”装置连接到多种具有不同表面纹理的植物上,并实现更高质量的电信号检测。对这种新式水凝胶的研究发现,发表在3月份的《先进材料》(Advanced Materials)期刊上。

陈晓东教授表示,“这种以热凝胶为基础的材料在液体状态下表现得像水一样,意味着粘着层在变成凝胶之前可迎合植物的纹理形状。例如,当在向日葵茎上进行测试时,植物‘通讯’装置在新式水凝胶下粘合强度达到了普通水凝胶的四到五倍,信号记录明显更强,背景噪音也更小。”

植物“通讯”装置现在可以粘在更多种的植物表面,而且更安全,标志着植物电生理领域向前迈出了重要的一步。这为以植物为基础的科技技术开辟了新的机遇。展望未来,南洋理工大学的团队正寻求使用他们的植物“通讯”装置的改进版本来设计其他各种应用程序。

文章来源: Li, W., Matsuhisa, N., Liu, Z. et al. An on-demand plant-based actuator created using conformable electrodes. Nat Electron 4, 134–142 (2021). https://doi.org/10.1038/s41928-020-00530-4
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