可打印的傳感器能監(jiān)測(cè)植物缺水狀況

又忘了給你桌上的植物澆水嗎？它可能很快就能發(fā)出求救信號(hào)。據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，麻省理工學(xué)院的工程師們發(fā)明了可以打印在植物葉子上的傳感器，一旦植物處于缺水狀態(tài)時(shí)，傳感器就會(huì)有提示信息。麻省理工學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院的教授同時(shí)也是是該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)明者M(jìn)ichael Strano介紹這種技術(shù)不僅可以救活被忽視的室內(nèi)盆栽植物，更重要的應(yīng)用是當(dāng)農(nóng)作物處于危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)發(fā)出預(yù)警。“在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，能對(duì)干旱發(fā)出最早的指示，”Strano說(shuō)，“很難用其他方式得到這些信息。

你可以把傳感器埋進(jìn)土壤里，或通過(guò)做衛(wèi)星成像和繪圖，但是你永遠(yuǎn)也不能得到具體某棵植物的水分狀態(tài)。”Strano已經(jīng)開(kāi)始與大型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)商合作，將這類傳感器用于農(nóng)作物。他認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)也可以被園丁和城市化農(nóng)民所用。他認(rèn)為，這可能也有助于研究人員開(kāi)發(fā)新的方法來(lái)培育抗旱植物。麻省理工大學(xué)博士后Volodymyr Koman，也是該論文的主要作者。該論文于11月8日在期刊《芯片實(shí)驗(yàn)室》（Lab on a Chip）的網(wǎng)站上發(fā)表。

麻省理工學(xué)院的化學(xué)工程師發(fā)明了可以檢測(cè)植物氣孔開(kāi)閉的傳感器（來(lái)源：麻省理工學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院）可打印的傳感器當(dāng)土壤變干時(shí)，植物生長(zhǎng)速度減慢，光合活性降低，對(duì)組織產(chǎn)生損害。有些植物開(kāi)始枯萎，但有些植物在遭受重大損害之前并不顯露任何跡象。麻省理工學(xué)院發(fā)明的傳感器利用了植物的氣孔——葉子的水分通過(guò)其表面的小氣孔蒸發(fā)。當(dāng)水分從葉子中蒸發(fā)時(shí)，植物中的水壓降低，從而通過(guò)叫做蒸騰作用的過(guò)程從土壤中汲取水分。

植物生物學(xué)家雖然知道氣孔在陽(yáng)光下開(kāi)放并在黑暗中關(guān)閉，但對(duì)這種開(kāi)合的動(dòng)力學(xué)研究很少，因?yàn)槟壳斑€沒(méi)有實(shí)時(shí)的直接測(cè)量氣孔的好方法。“氣孔對(duì)光、二氧化碳濃度、水分的反應(yīng)機(jī)理已經(jīng)為人類所知，現(xiàn)在我們已經(jīng)能夠連續(xù)監(jiān)視這種反應(yīng)，”Koman說(shuō)，“而以前的方法無(wú)法得到這種信息?！睘榱酥圃爝@種傳感器，麻省理工學(xué)院的研究人員使用了一種由碳納米管制成的墨水，這種微小的空心碳管能導(dǎo)電，再溶解在一種被稱為“十二烷基硫酸鈉”的有機(jī)化合物中，并不會(huì)破壞氣孔。這種墨水可以印刷在氣孔上形成電路。當(dāng)氣孔閉合時(shí)，電路連通，電流可以通過(guò)將電路連接到萬(wàn)用表進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)氣孔開(kāi)放時(shí)，電路斷開(kāi)，電流無(wú)法通過(guò)。這就允許了研究人員精確測(cè)量某個(gè)單孔是開(kāi)放還是閉合的。

經(jīng)過(guò)幾天的測(cè)量，研究人員發(fā)現(xiàn)，在正常和干燥的條件下，需要兩天時(shí)間才能發(fā)現(xiàn)植物的水分出現(xiàn)異常。他們發(fā)現(xiàn)，有光照后氣孔大約需7分鐘才會(huì)開(kāi)放，當(dāng)黑暗降臨時(shí)，要經(jīng)歷53分鐘才能關(guān)閉，但這些反應(yīng)在干燥的條件下會(huì)發(fā)生變化。研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)植物水分缺失時(shí)氣孔開(kāi)放的平均時(shí)間為25分鐘，而氣孔關(guān)閉的時(shí)間減少到45分鐘。明尼蘇達(dá)大學(xué)機(jī)械工程系副教授Michael McAlpine雖然沒(méi)有參與這項(xiàng)研究，但他認(rèn)為“這項(xiàng)工作是令人興奮的。因?yàn)檫@提供了直接印刷電子器件在植物，并長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)植物對(duì)環(huán)境因素（如干旱）產(chǎn)生的生理反應(yīng)的可能性。”

干旱預(yù)警在這項(xiàng)研究中，研究人員在一種叫做“和平百合”的植物上對(duì)傳感器進(jìn)行了。之所以選擇和平百合，是因?yàn)樗臍饪状蟆榱藢⒛蛴〉饺~子上，研究人員發(fā)明了一種帶有微流體通道的印刷模具。當(dāng)模具被放置在葉子上時(shí)，流過(guò)通道的墨水被沉積在葉子表面。

麻省理工學(xué)院的研究小組正致力于一種新方法，只需簡(jiǎn)單地在樹(shù)葉表面貼上一張“貼紙”來(lái)實(shí)現(xiàn)電子電路。研究人員建議，除了大型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者之外，園丁和城市化農(nóng)民應(yīng)該對(duì)這種設(shè)備也有興趣?！斑@對(duì)農(nóng)業(yè)來(lái)講意義重大。特別是隨著氣候的變化，將出現(xiàn)水資源短缺和環(huán)境溫度變化的地區(qū)。”Koman說(shuō)。在工作中，Strano的實(shí)驗(yàn)室正在探索創(chuàng)造傳感器陣列的可能性，這可以用來(lái)探測(cè)光線，并如相機(jī)一般地捕捉圖像。這項(xiàng)研究由美國(guó)能源部、瑞士國(guó)家科學(xué)基金會(huì)、新加坡科技研究局資助。