石墨烯电子纹身传感器实现植物水分实时监测
石墨烯电子纹身传感器实现植物水分实时监测
德克萨斯大学奥斯汀分校的研究团队开发出一种创新性的植物水分监测方法，通过“电子纹身”技术，实现对活体叶片水分状态的非侵入式测量。这项技术采用了超柔韧、可持续的石墨烯材料，能够贴合在叶片表面并持续追踪其水分变化，显著优于传统方法。
与当前仅适用于枯叶或间接测量的传统手段相比，该电子纹身具备更高的灵敏度和适用性，能够实时监测处于光合作用状态下的活叶，从而提供更丰富的生态信息。
Cockrell工程学院Chandra Family电气与计算机工程系副教授让·安妮·英科维亚（Jean-Ann Incorvia）表示：“这项技术让我们首次能够在光合作用等关键生理阶段持续监测活叶的水分动态，这对理解个体植物乃至整个森林生态系统的健康状况具有重要意义。”
植物叶片的水分含量是评估“活性燃料含水量”的关键指标，而后者是预测野火风险的重要参数之一。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（Ashley Matheny）指出，目前这一指标的测量依然困难重重。
传统的活叶水分测量手段通常依赖于手工操作，例如剪枝或激光击落叶片，不仅效率低，而且对植物本身造成伤害。相比之下，德克萨斯大学的这项技术提供了一种更为温和、高效的解决方案。
该传感器不仅能够监测水分水平，还可以在采集过程中进行数据处理。其设计融合了类突触功能，使传感器具备存储和处理信息的能力，从而减少了对外部高功耗计算设备的依赖。
每次电导更新所需的能量仅为23阿托焦耳（aJ），平均读数功率为0.23微瓦。这一极低的功耗特性使得传感器能够通过一块中等尺寸的太阳能电池板同时为数百万个设备供电，非常适合在偏远地区大规模部署。
在实际应用方面，该技术不仅可用于提高对野火风险的预测能力，还在农业产量提升、水资源管理以及粮食安全保障等领域具有广阔前景。
传感器的工作原理基于叶片内离子的运动：当水分状态变化时，离子迁移会影响电导率，从而反映出叶片的实时水分状况。
这项技术的诞生得益于德克萨斯大学的一项跨学科合作计划。Incorvia实验室此前在研究石墨烯对质子运动的响应机制时，访问学生Maya Borowicz提出了将其应用于植物叶片的构想。
Incorvia通过学校组织的跨学科合作项目，与专注于植被、土壤与水关系的马塞尼建立了联系。马塞尼过去主要研究木材与土壤的水分含量，此次合作拓展了她的研究方向，旨在更全面地理解生态系统在干旱、火灾和高温等压力下的表现。
研究团队计划将这项新技术与马塞尼此前关于土壤和木材水分的研究相结合，以构建更精确的野火风险评估体系。
“如果我们掌握了叶片水分状态，就能更准确地预测木材的含水量，”马塞尼表示。“这将有助于我们全面评估公众面临的风险，包括一旦发生点火事件，森林的反应会是怎样的。”
相关成果已发表于《Nano Letters》，题为《用于植物水分监测的石墨烯传感器内计算装置》（Utkarsh Misra 等人，2026），DOI: 10.1021/acs.nanolett.5c05507。
期刊信息：Nano Letters
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