利用電子設(shè)備監(jiān)測植物生長狀態(tài)一直是十分重要的主題。然而，已有方法始終面臨困境和瓶頸，這主要因植物生理信號通常隱藏于組織內(nèi)所導(dǎo)致。本研究提出了一種全新理念—液態(tài)金屬植物注射電子學(xué)，不僅可解決現(xiàn)有挑戰(zhàn)，還賦予植物更加多樣化的電學(xué)功能。根據(jù)這一原理，文章通過將液態(tài)金屬注入活體植物目標(biāo)部位，成功制造出各種基本的電子元件；同時，還展示了由此衍生的新應(yīng)用，如高穩(wěn)定電極、可長期工作傳感器、可變特性隱形天線以及更多賽博電子。展望未來，液態(tài)金屬植物注射電子學(xué)有望成為發(fā)展植物電生理學(xué)、電子植物、智慧農(nóng)業(yè)和植物機器人的基本工具，并催生出更多的新興技術(shù)和超常規(guī)應(yīng)用。

不論是詩經(jīng)中的“蒹葭蒼蒼，白露為霜”，還是唐詩中的“綠竹含新粉，紅蓮落故衣”，亦或是宋詞中的“知否知否，應(yīng)是綠肥紅瘦”，自然界中的萬千植物總是吸引著人們的關(guān)注。作為生物的一大類別，植物在地球上廣泛分布，目之所及，盡是植物。隨著社會不斷進步，植物對于人類的意義，已遠遠超過最初的涵義。在各種探索實踐中，若能賦予植物以多樣化的電學(xué)功能，將打開諸多應(yīng)用大門，其不僅可用作監(jiān)測植物病害、生理生態(tài)調(diào)控、環(huán)境交互等，還可發(fā)展出嶄新概念的植物混合電子。然而，以往由于缺乏高性能導(dǎo)電材料和應(yīng)用技術(shù)，相應(yīng)探索偏于遲緩。經(jīng)典的以貼片電極和針狀電極為代表的傳感技術(shù)在植物電生理探測中面臨諸多挑戰(zhàn)，比如所獲得信號保真度較低或者操作過程中穩(wěn)定性有待提高，以及電學(xué)應(yīng)用方式較為單一等。顯然，突破上述限制，亟待提出新的理念和方法。

近日，由劉靜教授帶領(lǐng)的中科院理化技術(shù)研究所與清華大學(xué)聯(lián)合研究小組，基于液態(tài)金屬優(yōu)異的導(dǎo)電性和流動性,首次提出并系統(tǒng)闡述了植物注射電子學(xué)新概念，其不僅有助于克服傳統(tǒng)方法面臨的瓶頸，而且可將廣泛的電學(xué)功能充分賦予植物（圖1）。作為典型示范，研究小組成功制備出以電阻、電感和電容等為代表的基本電子元件，并進一步在活體植物中原位制作了高穩(wěn)定性電極、各種傳感器以及具有可變特性的天線等器件，并開展了系列應(yīng)用試驗。值得注意的是，研究發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬注射電極擁有極佳的捕捉植物內(nèi)部信號的特性，并表現(xiàn)出卓越的抗外部干擾能力；由此構(gòu)筑的植物內(nèi)液態(tài)金屬電阻和電容傳感器則為實時監(jiān)測植物位置和生理信號提供了便捷途徑。更重要的是，通過注射獲得的電容傳感器可獲得傳統(tǒng)方法無法檢測到的植物內(nèi)部信息。而就活體植物中原位制造天線的試驗，則進一步證明了液態(tài)金屬植物注射電子學(xué)的潛力和價值。
 

圖1. 液態(tài)金屬賦予植物以各種電學(xué)功能如電阻、電容、電感、電極、傳感器及天線等

理論上，為盡量減少對植物的損害，一般優(yōu)選內(nèi)部有空腔的植物。有意思的是，經(jīng)過數(shù)百萬年的進化，植物內(nèi)部并不總是實心的。例如，在地球上廣泛分布的禾本科植物通常就包括有空腔，它們的髓部在漫長演化過程中已經(jīng)退化。竹子、水稻、小麥和生活中常見的蔬菜類植物均屬于這一類。因此，具有優(yōu)良流動性的液態(tài)金屬可被直接注入植物內(nèi)部目標(biāo)空腔。實際上，植物注射電子學(xué)有很好的普遍適用性。比如，以仙人掌為代表的多肉類植物具有較大內(nèi)部空間，對微創(chuàng)注射帶來的細微損傷并不敏感，同樣可被選作實驗對象。隨著液態(tài)金屬植物注射電子學(xué)的發(fā)展，各種植物原則上均可作為應(yīng)用載體，根據(jù)需要實現(xiàn)植物電子化、數(shù)字化、信息化，由此一個具備電學(xué)功能的植物世界便可被創(chuàng)造出來（圖2）。

圖2. 植物注射電子的制備方法及電子電路傳感及照明應(yīng)用情況

液態(tài)金屬的粘度相當(dāng)?shù)?，只有水的兩倍左右，通過注射器即可進行實驗操作，直接且高效。利用這種方法，通過向植物的目標(biāo)位置注入液態(tài)金屬可快速實現(xiàn)電感和電阻 （圖2）。電感器主要由一組線圈組成，具有螺旋狀結(jié)構(gòu)，因此很適合驗證液態(tài)金屬在植物內(nèi)部構(gòu)建復(fù)雜電子電路的能力。本研究通過螺旋形的硬物在仙人掌內(nèi)部制造了一個通道并成功將液態(tài)金屬填充其中構(gòu)造出了電感。若改變構(gòu)建通道形狀，則可在植物內(nèi)制造出各種預(yù)期電子電路。這種內(nèi)部互連的液態(tài)金屬電路可被用來連接LED，作為照明或裝飾。由于植物內(nèi)部的電路是不可見的，其也有望用于需要隱藏電線的場景。這些實驗表明在植物內(nèi)部構(gòu)建基本電子元件的可行性。此外，鑒于液態(tài)金屬的形狀變化會伴隨著其電阻變化，研究人員通過在仙人掌內(nèi)注射液態(tài)金屬，實現(xiàn)了一類簡捷且實用的電阻傳感器，成功用于監(jiān)控植物的位置改變。這種傳感器位于植物內(nèi)部，在抗外界污染和干擾方面具有天然的優(yōu)勢。

傳統(tǒng)的電極在精準(zhǔn)獲取植物內(nèi)部信號以及操作穩(wěn)定性方面面臨挑戰(zhàn)。為解決這一問題，研究小組開發(fā)了基于植物注射電子學(xué)的高穩(wěn)定型液態(tài)金屬電極，借助注射在植物內(nèi)部實現(xiàn)了原位制造。進一步地，圖3展示了該注射電極在測試植物內(nèi)在電位的應(yīng)用情況。與印刷電極相比，液態(tài)金屬注射電極表現(xiàn)出優(yōu)異的信號捕獲能力，有利于精確檢測植物的生理信號，進而推動精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的實施。電極在外部干擾作用下的穩(wěn)定性對其實際使用也很重要，尤其是長期工作時更是如此。此項研究比較了液態(tài)金屬注射電極和針狀電極在同樣干擾條件下的測試結(jié)果。實驗表明，與剛性針狀電極相比，液態(tài)金屬注射電極記錄的電位波動明顯較小，證明了其出色的抗干擾特性。背后機理在于，當(dāng)外部干擾出現(xiàn)時，具有優(yōu)異變形能力的液態(tài)金屬會與植物融為一體，同頻變化，從而確保了電極的高穩(wěn)定性和抗干擾能力。

圖3. 具有優(yōu)異信號捕捉能力和抗干擾特性的液態(tài)金屬注射電極

由于具備優(yōu)秀的動態(tài)響應(yīng)性，電容式傳感器一直受到廣泛重視。在此項工作中，研究人員還基于液態(tài)金屬注射電子學(xué)，演示了電容傳感器在植物內(nèi)的制備與應(yīng)用。為最大程度上避免對植物的損害，選用了具有空腔的植物來進行實驗。首先，研究提出了三種在活體植物內(nèi)構(gòu)造電容器的策略，如圖4所示。通過理論分析和實驗測試，證實電容器可在活體植物內(nèi)原位制造，這為后續(xù)的植物傳感奠定了基礎(chǔ)。進一步地，考慮到電容器的電容值會受到植物組織電學(xué)特征的影響，可將上述獲得的注射電容傳感器用于測試植物生理狀態(tài)的長期變化（圖5）。這里，應(yīng)注意的是，電容的低頻范圍更適合于植物傳感，因為它們對于植物組織的變化更為靈敏。研究表明，位于植物內(nèi)部的液態(tài)金屬電容傳感器在監(jiān)測植物的內(nèi)部變化方面具有明顯優(yōu)勢。鑒于這些電學(xué)特征的突變先于外觀改變，因此基于液態(tài)金屬的注射電容傳感器為及時監(jiān)測植物的健康狀況提供了一種有效方法。
 

圖4. 植物內(nèi)三類電容的制備策略及應(yīng)用性能測試
 

圖5. 電容式傳感器用于監(jiān)測植物的健康狀況

進一步地，研究小組在活體竹子中制造出了具有可變特性的天線（圖6），用以證明植物注射電子學(xué)的豐富價值。作為一種廣泛使用的電子設(shè)備，天線在通信和遙感等不同領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。因此，將天線功能融合于廣泛分布在地球上的植物，將產(chǎn)生許多有價值的新型應(yīng)用。然而，以往由于缺乏可變形的導(dǎo)體，實現(xiàn)這一目標(biāo)頗具挑戰(zhàn)性。本研究中，基于液態(tài)金屬良好的流動性和導(dǎo)電性的自然耦合，在活體植物內(nèi)通過原位注射方式高效快捷地實現(xiàn)了偶極子天線。研究還同時評估了多種因素對天線性能的影響，以表明天線性能的可調(diào)性。作為對比，研究中同時也原位制備了一種單級子天線。與偶極子天線不同，單極子天線可將其饋線隱藏于土壤內(nèi)部，因而可更好地進行偽裝和隱蔽。最后，面向未來應(yīng)用，論文提出了基于液態(tài)金屬的植物天線陣列的概念?？傊?，活體植物內(nèi)液態(tài)金屬天線的原位制造預(yù)示著未來發(fā)展的巨大可能性，這被認為是植物可注射電子學(xué)的生動而有說服力的實踐。
 

圖6. 活體植物內(nèi)原位注射得到的天線及其應(yīng)用特性表征

不難看出，以上所演示的應(yīng)用只是液態(tài)金屬植物注射電子學(xué)眾多可能中的一小部分，未來亟待拓展的空間很大，可望催生出諸多應(yīng)用可能。以往，賽博電子在動物中的應(yīng)用已為大家所知，本研究提出的植物注射電子學(xué)促成了賽博電子植物的問世。未來，隨著在這一新方向上的持續(xù)探索，植物注射電子學(xué)將會不斷完善，最終促成電子植物新世界的到來。

該工作以“Liquid metal enabled plant injectable electronics”為題發(fā)表在Materials Today上。中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所雙聘研究員、清華大學(xué)劉靜教授為論文通訊作者，中國科學(xué)院大學(xué)本科生江牧之為論文第一作者，清華大學(xué)水木學(xué)者陳森博士為論文共同通訊作者和共同第一作者。該研究得到了中國博士后基金以及清華大學(xué)水木學(xué)者項目的支持。

原文鏈接：
https://authors.elsevier.com/a/1gyWV4tRoWVLKS