植物也能“聯網”?新加坡南洋理工大學華人教授陳曉東做到了。
圖 | 用手機控制捕蠅草機器人
近期,其團隊開發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性和對傳統 CMOS 電子的兼容性。
圖 | 用手機控制捕蠅草機器人
如上圖,用手機 App 給出命令,並發送給 Wi-Fi 模塊,共形電極即可收到 3.3V 的激勵方波,進而啓動捕蠅草機器人,這證明了植物也可以聯網。
說起機器人,當下最“網紅”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,因此目前主要幹些粗活,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。
如下圖,這正是會穿針引線做“繡花活”的捕蠅草機器人,並且它是一款半植物機器人。
圖 | 正在撿起鉑金屬絲的捕蠅草機器人
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。
圖 | 抓住砝碼的捕蠅草機器人
1 月 25 日,相關論文以 《使用共形電極構建的植物基按需致動器》(An on-demand plant-based actuator created using conformable electrodes)爲題發表在《自然 – 電子學》上。
本次研發的捕蠅草機器人,是一個以捕蠅草葉片爲驅動單元、共形電極爲調制單元的電動植物基致動器。其中,共形電極用于調節捕蠅草的電生理功能,可使其按需要開合葉片。
圖 | 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,意爲 “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。
圖 | 正在捕食蒼蠅的捕蠅草(來源:Pixabay)
那麽,爲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,人類通過神經電信號來傳導信息,比如遇到刺激時,電信號迅速傳遞,使人做出應激反應;而植物遇到刺激時,也會出現電信號變化。以捕蠅草爲例,昆蟲輕觸捕蠅草內表面時,它會産生電信號,電信號繼而控制捕蠅草葉片閉合,捕獲昆蟲。
捕蠅草爲在自然界生存,已經進化成一個小型機器人,只是它的觸發方式是“觸碰”。想要更好地爲人所用,就得使用電氣接口。
一開始,他們並不知道捕蠅草可以被電激勵幹預。做出這種嘗試的基礎是,捕蠅草葉子的開合,是由于內部産生了電信號。故此他們推測,如果人爲觸發電信號,有可能幹預植物的電生理行爲。
然而,要想接觸植物“皮膚”並非一件易事,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,這會導致葉子表面難以附著電極。
在此情況下,要想用電來幹預植物,就需要創建物理接口。因此,該團隊的首要任務是研發適用于植物的電極器件,這種電極既能檢測植物發出的電信號,還得能向植物傳遞電激勵。
理想情況下,電極應該是非侵入性的,並且還要足夠貼合,只有順應植物的運動形態,才能實現良好的導電效果。
爲此,陳曉東團隊制備出柔性共形電極,該電極由粘性水凝膠作爲植物接觸層和離子導電層。接觸層具有良好的生物兼容性和透光性,在傳導離子信號的同時,不會影響植物本身的生理狀態。
圖 | 電氣植物致動器
在電子傳導層,陳曉東團隊使用化學合成的金納米網膜,該金納米網能被轉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–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% 的應變下仍然具有導電性。此外,共形電極總重約 4.9 mg,比重量約 228mg 的捕蠅草輕得多,連接到捕蠅草後的重量可忽略不計。
圖 | 附著在葉片表面的共形電極的示意圖
以上數據,說明該團隊的共形電極兼具導電性、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,所以電信號的連續測量、和電激勵的傳遞可得到保障。
圖 | 和捕蠅草兼容的共形電極
捕蠅器的電調制
在機械激勵實驗中,該團隊證實捕蠅草每次被觸碰,都會産生一個動作電位(AP,Action Potential),並且需要兩個連續動作電位,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,並且具有記憶功能:它會記住第一個動作電位,並在第二個動作電位出現後關閉葉片。
在電幹預實驗中,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,捕蠅草也會産生動作電位,並且會在第二個動作電位産生時閉合葉片。他們借此發現,電刺激導致的捕蠅草閉合,和機械刺激導致的閉合相似。
最終,該團隊發現捕蠅草機器人在工作時,最低僅需 1.5 V 的電壓,功耗僅爲 10 µW,比傳統電激勵方法小四五個數量級。整個響應時間僅爲 1.3s,比多數軟電動促動器都快,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合;它的功耗也很低,這是因爲運動本身由捕蠅草完成,電能只起到刺激作用。
圖 | 電壓下的捕蠅草
概括來說,上述研究提供出一種基于植物等自然資源、去開發致動器裝置的現成策略。對陳曉東來說,他的任務是找到與自然界中各種智能系統接口和調節的方法。
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,到後續反複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合。這對于未來設計軟體機器人,也有一定借鑒意義。
相比來說,波士頓機器狗等傳統機器人,擅長在結構良好、定義明確的環境中,執行搬磚等重複性任務。但在不斷變化的環境中,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,該團隊還發現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台上,真正實現植物與電子的互聯互通。
談及未來,陳曉東表示他希望開創植物電子學,他說這是一種交叉學科。因此其實驗室成員的背景很豐富,如材料、化學、電子工程、人工智能和醫學背景等。
植物電子學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爲。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控。這些工具的發展,是爲了獲悉植物的生長過程。長期來看,可在智慧農業方面提供精准的工具,用于觀測植物健康和病蟲害預警。
以陳曉東所在的新加坡爲例,這個東南亞小國一直在追求用有限的土地,産出更具附加值的産品。該國已經設定食品願景,希望在 2030 年實現本地出産的農産品可以滿足國人三成的營養需求目標,降低對進口食品的依賴。而植物電子學的發展,必能助力該計劃。