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

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。