科學家開發植物感測器與植物溝通的裝置 - 工程師

科學家開發植物感測器與植物溝通的裝置

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氣候變遷威脅著全球的糧食安全，如果能藉由監測植物的電信號，或許可以及早發現農作
物求救信號和異常，農民可以提早發覺作物感染疾病，迅速採取行動，以提高產量。

新加坡南洋理工大學（Nanyang Technological University）的團隊開發了一種可以和植
物「溝通」的裝置，利用水凝膠（hydrogel）作為黏著劑，在捕蠅草表面貼上了導電材料
，研究人員可以接收電信號、監測植物對環境的反應，或是傳輸電信號使植物閉合葉片。

多年來，科學家們知道植物會發出電信號來感應環境。南洋理工大學的團隊認為，測量植
物電信號的能力可以實現多種應用，例如可以幫忙基於植物(plant-based) 機器人監測易
爆裂物品，或者及早發現作物的疾病，加強糧食安全。

然而，植物的電信號非常微弱，只有在電極與植物表面有良好的接觸下才能被偵測到。由
於植物的葉毛、蠟質和不規則的表面，使得任何薄膜電子裝置都難以附著在植物上、而難
以取得穩定的傳輸信號。

為了克服這一挑戰，南洋理工大學的團隊從檢測心臟異常的心電圖（ECG）取得靈感，進
行測量電活動。作為概念驗證（proof-of concept），科學家們將與植物「溝通」的裝置
貼在了捕蠅器（Venus flytrap）的表面上。捕蠅草葉子的表面絨毛，當被觸發時，植物
會將葉片閉合。與植物「溝通」的裝置直徑長3毫米，偵測植物的電信號時不會影響植物
行光合作用，對植物無害。研究團隊利用智慧手機遙控裝置，以特定頻率向植物發射電脈
衝（electric pulse），1.3秒內就能觸發捕蠅器關閉葉片。研究人員還將機械手臂與捕
蠅器連接，通過智慧手機和「溝通」裝置，刺激捕蠅器將葉片閉合，而夾起一根直徑0.5
毫米的鐵絲。

該研究獲得新加坡科技研究局（A*STAR）的材料研究與工程學院（IMRE）合作，並將研究
成果發表在2021年1月份《Nature Electronics》期刊上，展示了未來基於植物的科技的
前景，像是創建更敏銳的機器人抓爪（robot gripper），用來撿起可能被剛性材料抓爪
損壞的脆弱物體。未來農民可以利用此裝置保護農作物避免受外物傷害。

接著，2021年3月發表在《Advanced Materials》的獨立研究發現，透過使用在室溫下會
逐漸從液體變為可拉伸凝膠的熱凝膠（thermogel），裝置可以附著在更多種類、具有不
同的表面紋理的植物上，提升信號的品質。熱凝膠材料在液態下就像水一樣，可以順應植
物的形狀貼合。在莖上布滿絨毛的向日葵上測試時，裝置的黏合強度為普通水凝膠的四到
五倍，並且接收的信號明顯更強，背景雜訊更小。團隊表示，改良版的裝置可以黏貼在更
多類型的植物表面，且更加牢固，為基於植物的技術帶來了新的機會。

另外，2016年，美國麻省理工學院（MIT）的研究團隊將菠菜葉改造成感測器，當植物檢
測到地下水中含有爆炸性物質時，會向科學家發送電子郵件提醒。該研究團隊在植物中嵌
入了碳奈米管(carbon nanotubes)，當植物根部檢測到硝基芳香劑（nitroaromatics一種
常在爆炸物中發現的化合物），就會發出信號，再由紅外線相機（infrared camera）讀
取該信號，並向科學家發送訊息。

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