植物也能聯(lián)網(wǎng)！新加坡科學(xué)家研發(fā)植物機器人，可用于觀測植物健康和病蟲害預(yù)警

多洛米

用手機控制捕蠅草機器人

近期，其團隊開發(fā)了手機可控的植物機器人，用以展示該植物機器人的快速響應(yīng)性和對傳統(tǒng) CMOS 電子的兼容性。

如上圖，用手機 App 給出命令，并發(fā)送給 Wi-Fi 模塊，共形電極即可收到 3.3V 的激勵方波，進而啟動捕蠅草機器人，這證明了植物也可以聯(lián)網(wǎng)。

說起機器人，當(dāng)下最“網(wǎng)紅”的莫過于波士頓機器狗，它會撿垃圾、會搬磚，但其畢竟是純機械機器人，因此目前主要干些粗活，尚無撿起線頭等微小物體的能力。事實上，機器人不僅有龐然大物型，也有袖珍小巧型。

如右圖，這正是會穿針引線做“繡花活”的捕蠅草機器人，并且它是一款半植物機器人。

正在撿起鉑金屬絲的捕蠅草機器人

抓住砝碼的捕蠅草機器人

該機器人由捕蠅草和柔性共形電極組成，其誕生于陳曉東的實驗室，不僅能撿起直徑 0.5 mm 的鉑金屬絲，還能抓住一枚重 1g 的砝碼。

相關(guān)論文以 《使用共形電極構(gòu)建的植物基按需致動器》為題發(fā)表在《自然 - 電子學(xué)》上。

本次研發(fā)的捕蠅草機器人，是一個以捕蠅草葉片為驅(qū)動單元、共形電極為調(diào)制單元的電動植物基致動器。其中，共形電極用于調(diào)節(jié)捕蠅草的電生理功能，可使其按需要開合葉片。

可撿起直徑0.5 mm 鉑金屬絲的捕蠅草機器人

捕蠅草，是一種草本植物，葉子邊緣帶有毛刺，人們覺得這很像古羅馬神話中愛神維納斯的睫毛，因此給它起名 Venus Flytrap，意為“維納斯的捕蠅陷阱”，它是東南亞的一種常見植物，“個性”和含羞草有些類似，用手碰它葉子就會合起來。

那么，為何本次研究選中了捕蠅草？這要從一次基于想象的嘗試開始。

植物和人一樣會傳達信號

陳曉東表示，人類通過神經(jīng)電信號來傳導(dǎo)信息，比如遇到刺激時，電信號迅速傳遞，使人做出應(yīng)激反應(yīng);而植物遇到刺激時，也會出現(xiàn)電信號變化。以捕蠅草為例，昆蟲輕觸捕蠅草內(nèi)表面時，它會產(chǎn)生電信號，電信號繼而控制捕蠅草葉片閉合，捕獲昆蟲。

捕蠅草為在自然界生存，已經(jīng)進化成一個小型機器人，只是它的觸發(fā)方式是“觸碰”。想要更好地為人所用，就得使用電氣接口。

正在捕食蒼蠅的捕蠅草

一開始，他們并不知道捕蠅草可以被電激勵干預(yù)。做出這種嘗試的基礎(chǔ)是，捕蠅草葉子的開合，是由于內(nèi)部產(chǎn)生了電信號。故此他們推測，如果人為觸發(fā)電信號，有可能干預(yù)植物的電生理行為。

然而，要想接觸植物 " 皮膚 " 并非一件易事，人類皮膚非常容易被水打濕，而植物表面存在一層疏水的蠟狀角質(zhì)層，比如荷葉表面很難被水濕潤，水滴只能在上面滾來滾去，捕蠅草的疏水性未必像荷葉那樣強烈，但表面也很難被水滴濕潤，這會導(dǎo)致葉子表面難以附著電極。

在此情況下，要想用電來干預(yù)植物，就需要創(chuàng)建物理接口。因此，該團隊的首要任務(wù)是研發(fā)適用于植物的電極器件，這種電極既能檢測植物發(fā)出的電信號，還得能向植物傳遞電激勵。

理想情況下，電極應(yīng)該是非侵入性的，并且還要足夠貼合，只有順應(yīng)植物的運動形態(tài)，才能實現(xiàn)良好的導(dǎo)電效果。

為此，陳曉東團隊制備出柔性共形電極，該電極由粘性水凝膠作為植物接觸層和離子導(dǎo)電層。接觸層具有良好的生物兼容性和透光性，在傳導(dǎo)離子信號的同時，不會影響植物本身的生理狀態(tài)。

附著在葉片表面的共形電極的示意圖（英文圖示）

在電子傳導(dǎo)層，陳曉東團隊使用化學(xué)合成的金納米網(wǎng)膜，該金納米網(wǎng)能被轉(zhuǎn)移到一種可拉伸的有機硅物料 PDMS 上（Polydimethylsiloxane，聚二甲基矽氧烷）。

由于“金納米網(wǎng)– PDMS”薄膜足夠透明，可保證捕蠅草有效地吸收光照。該薄膜還具有較高的可拉伸性，即使在 135% 的應(yīng)變下仍然具有導(dǎo)電性。此外，共形電極總重約 4.9 mg，比重量約 228mg 的捕蠅草輕得多，連接到捕蠅草后的重量可忽略不計。

電氣植物致動器（英文圖示）

以上數(shù)據(jù)，說明該團隊的共形電極兼具導(dǎo)電性、透明性、重量輕、以及和植物的適形性，最終形成的生物相容性電界面，可牢固附著捕蠅草，所以電信號的連續(xù)測量、和電激勵的傳遞可得到保障。

和捕蠅草兼容的共形電極（英文圖示）

捕蠅器的電調(diào)制

在機械激勵實驗中，該團隊證實捕蠅草每次被觸碰，都會產(chǎn)生一個動作電位，并且需要兩個連續(xù)動作電位，才能閉合捕蠅草葉片。

但是，兩次接觸的時間間隔不能超過 60 秒，超過 60 秒則無法閉合。這說明，捕蠅草通過電信號來傳遞觸碰信息，并且具有記憶功能：它會記住第一個動作電位，并在第二個動作電位出現(xiàn)后關(guān)閉葉片。

在電干預(yù)實驗中，該團隊給捕蠅草葉片連上兩對共形電極，一對電極用于激勵，另一對用于獲取電位信號。

電位信號和電流密度的測量證明，在 3V 直流電激勵下，捕蠅草也會產(chǎn)生動作電位，并且會在第二個動作電位產(chǎn)生時閉合葉片。他們借此發(fā)現(xiàn)，電刺激導(dǎo)致的捕蠅草閉合，和機械刺激導(dǎo)致的閉合相似。

電壓下的捕蠅草

最終，該團隊發(fā)現(xiàn)捕蠅草機器人在工作時，最低僅需 1.5 V 的電壓，功耗僅為 10 W，比傳統(tǒng)電激勵方法小四五個數(shù)量級。整個響應(yīng)時間僅為 1.3s，比多數(shù)軟電動促動器都快，這受益于捕蠅草自身的開合能力、以及和共形電極的強強聯(lián)合;它的功耗也很低，這是因為運動本身由捕蠅草完成，電能只起到刺激作用。

概括來說，上述研究提供出一種基于植物等自然資源、去開發(fā)致動器裝置的現(xiàn)成策略。對陳曉東來說，他的任務(wù)是找到與自然界中各種智能系統(tǒng)接口和調(diào)節(jié)的方法。

最難以攻克的地方：界面和控制

談及研究中最難攻克的地方，陳曉東只說了五個字：界面和控制。如何實現(xiàn)與植物的接口與通信，以達到控制植物的目的，是最難的地方。

該研究耗時 3 年時間，從制備植物共形電極，到后續(xù)反復(fù)進行植物測量與控制實驗，再到集成植物機器人，陳曉東集中多人力量才完成了人工器件和自然界生物的結(jié)合。這對于未來設(shè)計軟體機器人，也有一定借鑒意義。

相比來說，波士頓機器狗等傳統(tǒng)機器人，擅長在結(jié)構(gòu)良好、定義明確的環(huán)境中，執(zhí)行搬磚等重復(fù)性任務(wù)。但在不斷變化的環(huán)境中，它們在處理未定義對象時，效率相對較低，例如其粗大的機械手，很難抓起細小物體。

此外，該團隊還發(fā)現(xiàn)了捕蠅草機器人的模塊化特性。也就是說，把捕蠅草從莖上剪下，再進行防脫水封裝，捕蠅草機器人依然能正常工作。這意味著該植物機器人可以脫離花盆或支莖，被安裝在各種電氣平臺上，真正實現(xiàn)植物與電子的互聯(lián)互通。

談及未來，陳曉東表示他希望開創(chuàng)植物電子學(xué)，他說這是一種交叉學(xué)科。因此其實驗室成員的背景很豐富，如材料、化學(xué)、電子工程、人工智能和醫(yī)學(xué)背景等。

植物電子學(xué)涉及到很多電子器件，比如如何用盡可能低的功耗，以無損傷的方式觀測植物行為。這種電子器件，必須是柔性的、且以貼附方式對植物做長時間監(jiān)控。這些工具的發(fā)展，是為了獲悉植物的生長過程。長期來看，可在智慧農(nóng)業(yè)方面提供精準(zhǔn)的工具，用于觀測植物健康和病蟲害預(yù)警。

以陳曉東所在的新加坡為例，這個東南亞小國一直在追求用有限的土地，產(chǎn)出更具附加值的產(chǎn)品。該國已經(jīng)設(shè)定食品愿景，希望在 2030 年實現(xiàn)本地出產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品可以滿足國人30%的營養(yǎng)需求目標(biāo)，降低對進口食品的依賴。而植物電子學(xué)的發(fā)展，必能助力該計劃。 （摘自美《深科技》）