石墨烯电子纹身：实时监测植物水分状况的新突破
石墨烯电子纹身：实时监测植物水分状况的新突破
植物水分状态的实时监测，对于农业管理、生态研究以及火灾风险评估具有重要意义。德克萨斯大学奥斯汀分校的研究团队近期开发了一项创新技术——一种基于石墨烯的电子纹身传感器，能够无创地实时追踪植物叶片的水分水平。
传统方法通常依赖于剪取叶片或间接测量，无法在植物处于活跃生长状态时进行持续监测。而新开发的电子纹身传感器则克服了这些限制，能够在不损伤植物的情况下，附着于叶片表面，实现对活体植物水分状态的高精度测量。
“这项技术使我们能够直接监测活叶的水分变化，尤其是在光合作用进行的关键阶段，”Cockrell工程学院电气与计算机工程系副教授让·安妮·英科维亚表示。她也是这项研究的主要作者之一，相关成果发表于《纳米快报》。
叶片含水量是评估“活性燃料含水量”的关键指标，该参数对于预测野火风险至关重要，但长期以来难以进行实时测量。
当前，直接采集活叶水分数据的过程既繁琐又具有破坏性，通常需要剪下枝条，甚至采用射落枝叶的方式。
相比之下，德克萨斯大学研发的石墨烯电子纹身提供了一种更加高效、可持续的解决方案，可在较长周期内连续监测活叶的水分状态。
“我们不再需要全天候派人监测，而是在关键时刻，例如清晨、傍晚，或是炎热多风的天气条件下，几乎可以瞬间收集数据，并分析其对环境信号的响应，”杰克逊地球科学学院地球与行星科学系副教授阿什利·马塞尼指出。她专注于植被、水文与土壤之间的相互作用，以及其在干旱和野火中的影响。
除了对野火预测具有潜在价值，这一技术还有望在农业产量提升、水资源节约和粮食安全方面发挥积极作用。
该传感器通过施加微弱电流，诱导叶片内部离子向传感器迁移，从而改变其电导率。这种变化可以直接反映出叶片的水分状况。
每项电导测量仅需23阿托焦耳的能量，读取数据时的功耗为0.23微瓦。这意味着一块中等规模的太阳能电池板即可同时为数百万个此类传感器供电，非常适合在偏远农田或大面积森林中部署。
该设备还展现出类突触行为，能够模拟生物神经系统的信息处理机制，实现本地计算能力，从而减少将原始数据传输至外部处理器所需的能耗。
这项技术的诞生，得益于德克萨斯大学一项促进跨学科合作的项目。在石墨烯用于检测质子运动的研究中，一位访问本科生Maya Borowicz提出了将其应用于植物叶片的构想。
通过大学内部的副教授交流项目，英科维亚与马塞尼建立了联系。此前，马塞尼的研究集中于木材和土壤水分，但她希望通过拓展研究范围，更全面地评估生态系统健康以及其对火灾、干旱和热应激的响应。
研究团队计划将此次叶片传感器的成果与马塞尼此前关于土壤和木材水分的研究结合起来，以提高对野火风险的预测能力。
“如果我能了解叶片的状况，就能更准确地预测木材的含水量，”马塞尼表示。“我们正在构建一个从个体植物到整个森林的综合评估体系，以更全面地理解生态系统所面临的压力与风险。”
这项研究由Utkarsh Misra等人完成，题为《用于植物水分监测的石墨烯传感器内计算装置》，发表于《纳米快报》。DOI：10.1021/acs.nanolett.5c05507
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