植物也能联网！新加坡科学家研发植物机器人，可用于观测植物健康和病虫害预警

植物也能“联网”？新加坡南洋理工大学华人教授陈晓东做到了。

图 | 用手机控制捕蝇草机器人

近期，其团队开发了手机可控的植物机器人，用以展示该植物机器人的快速响应性和对传统 CMOS 电子的兼容性。

图 | 用手机控制捕蝇草机器人

如上图，用手机 App 给出命令，并发送给 Wi-Fi 模块，共形电极即可收到 3.3V 的激励方波，进而启动捕蝇草机器人，这证明了植物也可以联网。

说起机器人，当下最“网红”的莫过于波士顿机器狗，它会捡垃圾、会搬砖，但其毕竟是纯机械机器人，因此目前主要干些粗活，尚无捡起线头等微小物体的能力。事实上，机器人不仅有庞然大物型，也有袖珍小巧型。 如下图，这正是会穿针引线做“绣花活”的捕蝇草机器人，并且它是一款半植物机器人。

图 | 正在捡起铂金属丝的捕蝇草机器人

该机器人由捕蝇草和柔性共形电极组成，其诞生于陈晓东的实验室，不仅能捡起直径 0.5 mm 的铂金属丝，还能抓住一枚重 1g 的砝码。

图 | 抓住砝码的捕蝇草机器人

1 月 25 日，相关论文以 《使用共形电极构建的植物基按需致动器》（An on-demand plant-based actuator created using conformable electrodes）为题发表在《自然 - 电子学》上。

本次研发的捕蝇草机器人，是一个以捕蝇草叶片为驱动单元、共形电极为调制单元的电动植物基致动器。其中，共形电极用于调节捕蝇草的电生理功能，可使其按需要开合叶片。

图 | 可捡起直径

0.5 mm 铂金属丝的捕蝇草机器人 捕蝇草，是一种草本植物，叶子边缘带有毛刺，人们觉得这很像古罗马神话中爱神维纳斯的睫毛，因此给它起名 Venus Flytrap，意为 “维纳斯的捕蝇陷阱”，它是东南亚的一种常见植物，“个性” 和含羞草有些类似，用手碰它叶子就会合起来。

图 | 正在捕食苍蝇的捕蝇草（来源：Pixabay）

那么，为何本次研究选中了捕蝇草？这要从一次基于想像的尝试开始。

植物和人一样会传达信号

陈晓东表示，人类通过神经电信号来传导信息，比如遇到刺激时，电信号迅速传递，使人做出应激反应；而植物遇到刺激时，也会出现电信号变化。以捕蝇草为例，昆虫轻触捕蝇草内表面时，它会产生电信号，电信号继而控制捕蝇草叶片闭合，捕获昆虫。

捕蝇草为在自然界生存，已经进化成一个小型机器人，只是它的触发方式是“触碰”。想要更好地为人所用，就得使用电气接口。

一开始，他们并不知道捕蝇草可以被电激励干预。做出这种尝试的基础是，捕蝇草叶子的开合，是由于内部产生了电信号。故此他们推测，如果人为触发电信号，有可能干预植物的电生理行为。

然而，要想接触植物“皮肤”并非一件易事，人类皮肤非常容易被水打湿，而植物表面存在一层疏水的蜡状角质层，比如荷叶表面很难被水湿润，水滴只能在上面滚来滚去，捕蝇草的疏水性未必像荷叶那样强烈，但表面也很难被水滴湿润，这会导致叶子表面难以附着电极。

在此情况下，要想用电来干预植物，就需要创建物理接口。因此，该团队的首要任务是研发适用于植物的电极器件，这种电极既能检测植物发出的电信号，还得能向植物传递电激励。

理想情况下，电极应该是非侵入性的，并且还要足够贴合，只有顺应植物的运动形态，才能实现良好的导电效果。

为此，陈晓东团队制备出柔性共形电极，该电极由粘性水凝胶作为植物接触层和离子导电层。接触层具有良好的生物兼容性和透光性，在传导离子信号的同时，不会影响植物本身的生理状态。

图 | 电气植物致动器

在电子传导层，陈晓东团队使用化学合成的金纳米网膜，该金纳米网能被转移到一种可拉伸的有机硅物料 PDMS 上（Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷）。

由于“金纳米网–PDMS” 薄膜足够透明，可保证捕蝇草有效地吸收光照。该薄膜还具有较高的可拉伸性，即使在 135% 的应变下仍然具有导电性。此外，共形电极总重约 4.9 mg，比重量约 228mg 的捕蝇草轻得多，连接到捕蝇草后的重量可忽略不计。

图 | 附着在叶片表面的共形电极的示意图

以上数据，说明该团队的共形电极兼具导电性、透明性、重量轻、以及和植物的适形性，最终形成的生物相容性电界面，可牢固附着捕蝇草，所以电信号的连续测量、和电激励的传递可得到保障。

图 | 和捕蝇草兼容的共形电极

捕蝇器的电调制

在机械激励实验中，该团队证实捕蝇草每次被触碰，都会产生一个动作电位（AP，Action Potential），并且需要两个连续动作电位，才能闭合捕蝇草叶片。

但是，两次接触的时间间隔不能超过 60 秒，超过 60 秒则无法闭合。这说明，捕蝇草通过电信号来传递触碰信息，并且具有记忆功能：它会记住第一个动作电位，并在第二个动作电位出现后关闭叶片。

在电干预实验中，该团队给捕蝇草叶片连上两对共形电极，一对电极用于激励，另一对用于获取电位信号。

电位信号和电流密度的测量证明，在 3V 直流电激励下，捕蝇草也会产生动作电位，并且会在第二个动作电位产生时闭合叶片。他们借此发现，电刺激导致的捕蝇草闭合，和机械刺激导致的闭合相似。

最终，该团队发现捕蝇草机器人在工作时，最低仅需 1.5 V 的电压，功耗仅为 10 µW，比传统电激励方法小四五个数量级。整个响应时间仅为 1.3s，比多数软电动促动器都快，这受益于捕蝇草自身的开合能力、以及和共形电极的强强联合；它的功耗也很低，这是因为运动本身由捕蝇草完成，电能只起到刺激作用。

图 | 电压下的捕蝇草

概括来说，上述研究提供出一种基于植物等自然资源、去开发致动器装置的现成策略。对陈晓东来说，他的任务是找到与自然界中各种智能系统接口和调节的方法。

最难以攻克的地方：界面和控制

谈及研究中最难攻克的地方，陈晓东只说了五个字：界面和控制。如何实现与植物的接口与通信，以达到控制植物的目的，是最难的地方。

该研究耗时 3 年时间，从制备植物共形电极，到后续反复进行植物测量与控制实验，再到集成植物机器人，陈晓东集中多人力量才完成了人工器件和自然界生物的结合。这对于未来设计软件机器人，也有一定借鉴意义。

相比来说，波士顿机器狗等传统机器人，擅长在结构良好、定义明确的环境中，执行搬砖等重复性任务。但在不断变化的环境中，它们在处理未定义对象时，效率相对较低，例如其粗大的机械手，很难抓起细小物体。

此外，该团队还发现了捕蝇草机器人的模块化特性。也就是说，把捕蝇草从茎上剪下，再进行防脱水封装，捕蝇草机器人依然能正常工作。这意味着该植物机器人可以脱离花盆或支茎，被安装在各种电气平台上，真正实现植物与电子的互联互通。

谈及未来，陈晓东表示他希望开创植物电子学，他说这是一种交叉学科。因此其实验室成员的背景很丰富，如材料、化学、电子工程、人工智能和医学背景等。 植物电子学涉及到很多电子器件，比如如何用尽可能低的功耗，以无损伤的方式观测植物行为。这种电子器件，必须是柔性的、且以贴附方式对植物做长时间监控。这些工具的发展，是为了获悉植物的生长过程。长期来看，可在智慧农业方面提供精准的工具，用于观测植物健康和病虫害预警。

以陈晓东所在的新加坡为例，这个东南亚小国一直在追求用有限的土地，产出更具附加值的产品。该国已经设定食品愿景，希望在 2030 年实现本地出产的农产品可以满足国人三成的营养需求目标，降低对进口食品的依赖。而植物电子学的发展，必能助力该计划。

-End-

参考： https://www.nature.com/articles/s41928-020-00530-4