用手機(jī)控制捕蠅草機(jī)器人
近期，其團(tuán)隊(duì)開發(fā)了手機(jī)可控的植物機(jī)器人，用以展示該植物機(jī)器人的快速響應(yīng)性和對(duì)傳統(tǒng)CMOS電子的兼容性。
如上圖，用手機(jī)App給出命令，并發(fā)送給Wi-Fi模塊，共形電極即可收到3.3V的激勵(lì)方波，進(jìn)而啟動(dòng)捕蠅草機(jī)器人，這證明了植物也可以聯(lián)網(wǎng)。
說起機(jī)器人，當(dāng)下最“網(wǎng)紅”的莫過于波士頓機(jī)器狗，它會(huì)撿垃圾、會(huì)搬磚，但其畢竟是純機(jī)械機(jī)器人，因此目前主要干些粗活，尚無撿起線頭等微小物體的能力。事實(shí)上，機(jī)器人不僅有龐然大物型，也有袖珍小巧型。
如右圖，這正是會(huì)穿針引線做“繡花活”的捕蠅草機(jī)器人，并且它是一款半植物機(jī)器人。
該機(jī)器人由捕蠅草和柔性共形電極組成，其誕生于陳曉東的實(shí)驗(yàn)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。
相關(guān)論文以《使用共形電極構(gòu)建的植物基按需致動(dòng)器》為題發(fā)表在《自然-電子學(xué)》上。
本次研發(fā)的捕蠅草機(jī)器人，是一個(gè)以捕蠅草葉片為驅(qū)動(dòng)單元、共形電極為調(diào)制單元的電動(dòng)植物基致動(dòng)器。其中，共形電極用于調(diào)節(jié)捕蠅草的電生理功能，可使其按需要開合葉片。
可撿起直徑0.5 mm鉑金屬絲的捕蠅草機(jī)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(gè)性”和含羞草有些類似，用手碰它葉子就會(huì)合起來。
那么，為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(huì)傳達(dá)信號(hào)
陳曉東表示，人類通過神經(jīng)電信號(hào)來傳導(dǎo)信息，比如遇到刺激時(shí)，電信號(hào)迅速傳遞，使人做出應(yīng)激反應(yīng);而植物遇到刺激時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)電信號(hào)變化。以捕蠅草為例，昆蟲輕觸捕蠅草內(nèi)表面時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)，電信號(hào)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(jīng)進(jìn)化成一個(gè)小型機(jī)器人，只是它的觸發(fā)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，他們并不知道捕蠅草可以被電激勵(lì)干預(yù)。做出這種嘗試的基礎(chǔ)是，捕蠅草葉子的開合，是由于內(nèi)部產(chǎn)生了電信號(hào)。故此他們推測(cè)，如果人為觸發(fā)電信號(hào)，有可能干預(yù)植物的電生理行為。
然而，要想接觸植物"皮膚"并非一件易事，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(zhì)層，比如荷葉表面很難被水濕潤(rùn)，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(qiáng)烈，但表面也很難被水滴濕潤(rùn)，這會(huì)導(dǎo)致葉子表面難以附著電極。
在此情況下，要想用電來干預(yù)植物，就需要?jiǎng)?chuàng)建物理接口。因此，該團(tuán)隊(duì)的首要任務(wù)是研發(fā)適用于植物的電極器件，這種電極既能檢測(cè)植物發(fā)出的電信號(hào)，還得能向植物傳遞電激勵(lì)。
理想情況下，電極應(yīng)該是非侵入性的，并且還要足夠貼合，只有順應(yīng)植物的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，才能實(shí)現(xiàn)良好的導(dǎo)電效果。
為此，陳曉東團(tuán)隊(duì)制備出柔性共形電極，該電極由粘性水凝膠作為植物接觸層和離子導(dǎo)電層。接觸層具有良好的生物兼容性和透光性，在傳導(dǎo)離子信號(hào)的同時(shí)，不會(huì)影響植物本身的生理狀態(tài)。
附著在葉片表面的共形電極的示意圖（英文圖示）
在電子傳導(dǎo)層，陳曉東團(tuán)隊(duì)使用化學(xué)合成的金納米網(wǎng)膜，該金納米網(wǎng)能被轉(zhuǎn)移到一種可拉伸的有機(jī)硅物料PDMS上（Polydimethylsiloxane，聚二甲基矽氧烷）。
由于“金納米網(wǎng)–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(yīng)變下仍然具有導(dǎo)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，連接到捕蠅草后的重量可忽略不計(jì)。
以上數(shù)據(jù)，說明該團(tuán)隊(duì)的共形電極兼具導(dǎo)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(hào)的連續(xù)測(cè)量、和電激勵(lì)的傳遞可得到保障。
捕蠅器的電調(diào)制
在機(jī)械激勵(lì)實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)證實(shí)捕蠅草每次被觸碰，都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)作電位，并且需要兩個(gè)連續(xù)動(dòng)作電位，才能閉合捕蠅草葉片。
但是，兩次接觸的時(shí)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(hào)來傳遞觸碰信息，并且具有記憶功能：它會(huì)記住第一個(gè)動(dòng)作電位，并在第二個(gè)動(dòng)作電位出現(xiàn)后關(guān)閉葉片。
在電干預(yù)實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)給捕蠅草葉片連上兩對(duì)共形電極，一對(duì)電極用于激勵(lì)，另一對(duì)用于獲取電位信號(hào)。
電位信號(hào)和電流密度的測(cè)量證明，在3V直流電激勵(lì)下，捕蠅草也會(huì)產(chǎn)生動(dòng)作電位，并且會(huì)在第二個(gè)動(dòng)作電位產(chǎn)生時(shí)閉合葉片。他們借此發(fā)現(xiàn)，電刺激導(dǎo)致的捕蠅草閉合，和機(jī)械刺激導(dǎo)致的閉合相似。
電壓下的捕蠅草
最終，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)捕蠅草機(jī)器人在工作時(shí)，最低僅需1.5 V的電壓，功耗僅為10 W，比傳統(tǒng)電激勵(lì)方法小四五個(gè)數(shù)量級(jí)。整個(gè)響應(yīng)時(shí)間僅為1.3s，比多數(shù)軟電動(dòng)促動(dòng)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(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合;它的功耗也很低，這是因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)本身由捕蠅草完成，電能只起到刺激作用。
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(fā)致動(dòng)器裝置的現(xiàn)成策略。對(duì)陳曉東來說，他的任務(wù)是找到與自然界中各種智能系統(tǒng)接口和調(diào)節(jié)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(gè)字：界面和控制。如何實(shí)現(xiàn)與植物的接口與通信，以達(dá)到控制植物的目的，是最難的地方。
該研究耗時(shí)3年時(shí)間，從制備植物共形電極，到后續(xù)反復(fù)進(jìn)行植物測(cè)量與控制實(shí)驗(yàn)，再到集成植物機(jī)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(jié)合。這對(duì)于未來設(shè)計(jì)軟體機(jī)器人，也有一定借鑒意義。
相比來說，波士頓機(jī)器狗等傳統(tǒng)機(jī)器人，擅長(zhǎng)在結(jié)構(gòu)良好、定義明確的環(huán)境中，執(zhí)行搬磚等重復(fù)性任務(wù)。但在不斷變化的環(huán)境中，它們?cè)谔幚砦炊x對(duì)象時(shí)，效率相對(duì)較低，例如其粗大的機(jī)械手，很難抓起細(xì)小物體。
此外，該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了捕蠅草機(jī)器人的模塊化特性。也就是說，把捕蠅草從莖上剪下，再進(jìn)行防脫水封裝，捕蠅草機(jī)器人依然能正常工作。這意味著該植物機(jī)器人可以脫離花盆或支莖，被安裝在各種電氣平臺(tái)上，真正實(shí)現(xiàn)植物與電子的互聯(lián)互通。
談及未來，陳曉東表示他希望開創(chuàng)植物電子學(xué)，他說這是一種交叉學(xué)科。因此其實(shí)驗(yàn)室成員的背景很豐富，如材料、化學(xué)、電子工程、人工智能和醫(yī)學(xué)背景等。
植物電子學(xué)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(cè)植物行為。這種電子器件，必須是柔性的、且以貼附方式對(duì)植物做長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)控。這些工具的發(fā)展，是為了獲悉植物的生長(zhǎng)過程。長(zhǎng)期來看，可在智慧農(nóng)業(yè)方面提供精準(zhǔn)的工具，用于觀測(cè)植物健康和病蟲害預(yù)警。
以陳曉東所在的新加坡為例，這個(gè)東南亞小國(guó)一直在追求用有限的土地，產(chǎn)出更具附加值的產(chǎn)品。該國(guó)已經(jīng)設(shè)定食品愿景，希望在2030年實(shí)現(xiàn)本地出產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品可以滿足國(guó)人30%的營(yíng)養(yǎng)需求目標(biāo)，降低對(duì)進(jìn)口食品的依賴。而植物電子學(xué)的發(fā)展，必能助力該計(jì)劃。
來源：《深科技》
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