石墨烯电子纹身：实时监测植物水分状态
石墨烯电子纹身：实时监测植物水分状态
植物是否缺水？作物是否获得足够的灌溉？森林是否面临野火威胁？这些关键问题的答案，如今可以通过一种新型传感器获得更准确的判断。德克萨斯大学奥斯汀分校的研究团队开发出一种基于石墨烯材料的“电子纹身”，可直接贴附在叶片表面，以非侵入性方式实时追踪植物水分水平。
这种传感器采用超柔性且可持续的石墨烯材料制成，能够贴附于活叶表面，无需剪枝或破坏植物组织，克服了传统方法对枯叶依赖或间接测量的局限。
Cockrell工程学院Chandra Family电气与计算机工程系副教授Jean Anna Incorvia是该研究的主要推动者之一。她表示：“实时监测活叶的水分变化，特别是在光合作用过程中，有助于我们更全面地理解植物生态系统的健康状态，无论是单株植物还是整个森林。”
叶片水含量是评估“活性燃料含水量”的关键指标之一，而后者是预测野火风险的重要参数。杰克逊地球科学学院地球与行星科学系副教授Ashley Matheny指出，虽然这一指标至关重要，但传统的测量方法往往繁琐且具有破坏性。
当前，从活叶中直接获取水分数据通常依赖人工操作，例如剪取枝叶，或采用其他破坏性手段。这种方式不仅效率低下，也不利于长期监测。
相比之下，德克萨斯大学奥斯汀分校的技术提供了一种更便捷且高效的监测手段，可在长时间内持续追踪活叶的湿度变化。
Matheny表示：“我们不再需要全天候安排人员进行采样，而是在关键时刻——如清晨、傍晚或高温大风天气，快速获取数据，并观察其对环境信号的响应。这种方式使我们能够采集到比现有技术更多、更高质量的信息，且操作更为简便。”
该传感器的工作原理基于电导率的变化。当施加微小电刺激时，叶片内部的离子会向设备移动或远离，从而改变其导电性能，间接反映出叶片的水分状态。
这些装置每次更新电导数据仅需23阿托焦耳（aJ）的能量，而读取数据所需功率仅为0.23微瓦。这意味着一块中等大小的太阳能板就足以同时为数百万个传感器供电，非常适合在偏远农田或森林中实现大规模部署。
此外，该传感器还表现出类神经突触的特性，能够像生物大脑一样存储和处理信息。这一特性使得数据处理能够在传感器端完成，显著降低了向外部处理器传输数据所需的能量。
这项创新技术的诞生还得益于德克萨斯大学的跨学科交流机制。Incorvia实验室此前专注于石墨烯在质子传感方面的应用，访问本科生Maya Borowicz在该项目中受到启发，提出将其应用于植物叶片。
通过德克萨斯大学的副教授交流计划，Incorvia与Matheny建立合作。后者此前的研究主要集中在木材与土壤含水率领域，但希望拓展研究边界，以更好地评估生态系统健康状况及火灾、干旱和高温胁迫带来的风险。
研究人员计划将这项叶片监测技术与Matheny先前关于木材和土壤水分含量的研究相结合，以进一步提高野火预测的准确性。
Matheny指出：“如果我了解树叶的水分状态，就能更准确地推断木质部分的情况。我们正在从单一压力指标转向对整个森林生态系统风险的全面评估。如果某一区域发生点火事件，森林的响应将会如何？”
相关研究成果发表于《纳米快报》（Nano Letters）期刊，题为“用于植物水分监测的石墨烯传感器内计算装置”（Graphene In-Sensor Computing Device for Plant Hydration Monitoring），作者包括Utkarsh Misra等人，DOI：10.1021/acs.nanolett.5c05507。
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