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科學家開發植物感測器與植物溝通的裝置

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科技產業資訊室 (iKnow) - Lisa 發表於 2021年5月12日

圖、科學家開發植物感測器與植物溝通的裝置
 
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。(1008字;圖1)
 
 
參考資料:
Scientists develop device to 'communicate' with plants using electrical signals. ScienceDaily, 2021/3/16.
Rise of the 'robo-plants', as scientists fuse nature with tech. Japan Today, 2021/4/8.


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