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南洋理工大学陈晓东《Nature Electronics》适合的电极创建按需植物执行器水凝胶

时间:2025-12-28 02:54:15
南洋理工大学陈晓东《Nature Electronics》适合的电极创建按需植物执行器水凝胶
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南洋理工大学陈晓东教授团队在《Nature Electronics》发表的研究中,通过开发适合植物的适形电极创建了按需植物执行器水凝胶,实现了对维纳斯捕蝇器的高效电调制与精准控制。 以下是具体内容:研究背景与挑战植物(如维纳斯捕蝇器)具有电生理信号触发的行为可塑性,理论上可通过外部电刺激调节其启动行为。两大挑战:一是创建与植物表面兼容的物理接口(植物表皮疏水蜡质层阻碍薄膜电子设备连接);二是缺乏标准化电通信方法(现有电刺激机理不明确且无法精确调节)。适形电极的设计与功能结构组成:采用柔软粘性水凝胶层作为植物接触层,聚二甲基硅氧烷(PDMS)上的金(Au)纳米网作为电子转换层。核心优势:非侵入性监测:仅通过电容性电流感测植物电信号,避免电化学反应,同时传递调制电信号。强附着力:水凝胶层由丙烯酸单体与10 mM KCl离子添加剂热聚合制成,粘合强度达15.6 N m?1(无水凝胶时附着力可忽略),确保连续准确感应与调制。多功能性:水凝胶层具备离子导电性、可拉伸性、生物相容性和透明性,不影响叶绿素活性;与Ag/AgCl-琼脂电极相比,附着力更强(捕蝇器关闭时不易脱落),接触阻抗更低,信号幅度更大(92.7±3.7 mV vs. 70.6±5.8 mV)。捕蝇器的电调制机制直流电刺激:在两个瓣上安装电极对(一对刺激,一对获取信号),3 V直流电刺激可立即产生动作电位(AP),40秒内引发一系列AP,第二个AP后叶闭合。阈值电压约1.5 V,≥1.5 V时产生自主AP,1.5 V时无AP。方波频率调制:0.1 Hz频率下响应时间4.7±1.4 s,0.5 Hz缩短至1.8±0.4 s,2 Hz时降至1.3±0.1 s。方波上升沿和下降沿各感应一个AP,通过频率调节可精准控制响应时间。按需电动植物执行器的应用模块化集成:通过Wi-Fi模块(ESP8266)和智能手机应用程序实现无线控制,阈值电压低至1.5 V,可与典型Wi-Fi芯片(输出3.3 V)兼容。集成于机械臂或手指平台,可抓取细线(如直径0.5 mm铂线)或捕获移动物体。动态环境适应性:响应时间可精确调节(最低1.3μs),功率输入仅10??μW,适用于高精度任务。研究意义该研究首次实现了基于电生理信号的植物精准控制,为植物机器人、柔性电子与生物杂交系统提供了新范式。适形电极的设计解决了植物表面接口兼容性问题,其高信号质量与低功耗特性推动了生物电子器件的发展。
时间:2025-12-28 02:54:19
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