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，進而啟動捕蠅草機器人，這證明了植物也可以聯網。
說起機器人，當下最「網紅」的莫過於波士頓機器狗，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，其誕生於陳曉東的實驗室，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）為題發表在《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為驅動單元、共形電極為調製單元的電動植物基致動器。其中，共形電極用於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。
圖 | 正在捕食蒼蠅的捕蠅草（來源：Pixabay）
那麼，為何本次研究選中了捕蠅草？這要從一次基於想像的嘗試開始。
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。以捕蠅草為例，昆蟲輕觸捕蠅草內表面時，它會產生電信號，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」。想要更好地為人所用，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干預。做出這種嘗試的基礎是，捕蠅草葉子的開合，是由於內部產生了電信號。故此他們推測，如果人為觸發電信號，有可能幹預植物的電生理行為。
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，要想用電來干預植物，就需要創建物理接口。因此，該團隊的首要任務是研發適用於植物的電極器件，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。
為此，陳曉東團隊製備出柔性共形電極，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矽物料 PDMS 上（Polydimethylsiloxane，聚二甲基矽氧烷）。
由於「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介面，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
捕蠅器的電調製
在機械激勵實驗中，該團隊證實捕蠅草每次被觸碰，都會產生一個動作電位（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。
在電干預實驗中，該團隊給捕蠅草葉片連上兩對共形電極，一對電極用於激勵，另一對用於獲取電位信號。
電位信號和電流密度的測量證明，在 3V 直流電激勵下，捕蠅草也會產生動作電位，並且會在第二個動作電位產生時閉合葉片。他們藉此發現，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，功耗僅為 10 µW，比傳統電激勵方法小四五個數量級。整個響應時間僅為 1.3s，比多數軟電動促動器都快，這受益於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，這是因為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於植物等自然資源、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：介面和控制
談及研究中最難攻克的地方，陳曉東只說了五個字：介面和控制。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，從製備植物共形電極，到後續反覆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。這對於未來設計軟體機器人，也有一定借鑑意義。
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、人工智慧和醫學背景等。 植物電子學涉及到很多電子器件，比如如何用儘可能低的功耗，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控。這些工具的發展，是為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準的工具，用於觀測植物健康和病蟲害預警。
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，產出更具附加值的產品。該國已經設定食品願景，希望在 2030 年實現本地出產的農產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。
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參考： https://www.nature.com/articles/s41928-020-00530-4
