石墨烯“叶片纹身”传感器实现植物水分实时监测
石墨烯“叶片纹身”传感器实现植物水分实时监测
在农业与生态监测领域，科学家们正致力于开发一种更为精确且非侵入式的方法，用于实时追踪植物叶片的水分状态。由德克萨斯大学奥斯汀分校（Cockrell工程学院）主导的研究团队，利用石墨烯材料开发出一种创新的电子纹身传感器，能够直接贴附于活体植物叶片，从而实现对水分水平的高效监测。
这项技术基于超柔性的石墨烯制成的电子纹身，其具备出色的生物兼容性与环境适应性，不会对叶片造成损伤。与传统仅适用于枯叶或依赖间接测量手段的方法相比，该传感器实现了从活叶中直接获取水分数据的突破。
“通过持续监测活叶的水分变化，特别是在光合作用过程中，我们能够更深入地理解植物生态系统的健康状态，无论是在个体植物层面，还是在森林生态系统中，”Cockrell工程学院Chandra Family电气与计算机工程系副教授Jean Anne Incorvia表示。她作为研究团队的核心成员之一，其研究成果发表于《Nano Letters》杂志。
叶片水含量是评估“活性燃料含水量”的关键指标。这一参数对于预测野火风险具有重要意义。然而，目前的测量手段往往耗时且具有破坏性。杰克逊地球科学学院地球与行星科学系副教授Ashley Matheny指出，当前方法通常依赖于手工采样，如剪取枝条甚至射击枝条以获取样本，过程繁琐且对植物造成损伤。
德克萨斯大学的这项新技术不仅简化了操作流程，还显著提升了监测效率，使得科研人员能够在关键时间节点——如清晨、傍晚或炎热多风天气——迅速获取数据，并分析其对环境信号的响应。
“我们不再需要全天候派遣人员实地采集，而是可以在特定时段进行即时数据收集，”专注于植被、水和土壤对干旱与野火影响的Matheny表示，“这让我们能够获取比现有技术更丰富、更及时的信息，而且方式更加高效。”
该传感器的工作原理依赖于叶片中离子的迁移。当轻微的电信号施加于传感器时，叶片中的离子会向传感器移动或远离，从而改变其导电性。这种电导率的变化直接反映了叶片的水分状况。
此外，这些设备能耗极低，每次电导更新仅需23阿托焦耳（aJ）的能量，读取数据时的功耗仅为0.23微瓦。这意味着，一块中等大小的太阳能电池板便足以同时为数百万个此类传感器供电，非常适合在偏远农田或广阔森林中进行大规模部署。
更值得一提的是，该传感器还展现出类突触行为，具备信息存储与处理能力，类似于人脑的功能。这种内嵌计算特性使传感器能够在数据采集点完成初步处理，从而减少了向外部设备传输数据所需的能量。
这项研究的诞生得益于德州大学内部的跨学科合作项目。Incorvia实验室曾开展另一项关于石墨烯感知质子运动的研究，本科生Maya Borowicz（也是本研究的作者之一）正是在此期间提出了将该技术应用于植物叶片的构想。
这一暑期项目最初只是个探索性研究，但在德州大学“副教授实验项目”支持下，Incorvia得以与Matheny取得联系，后者对叶片传感器的应用充满兴趣。Matheny此前主要聚焦于木材和土壤中的水分研究，但她希望将研究范围扩展至生态系统健康与极端气候事件的风险评估。
研究人员计划将本项目与Matheny先前关于土壤及木材含水量的研究成果整合，进一步提升对野火的预测能力。
“若能掌握叶片的水分状态，我们便能更准确地推断木材的情况，”Matheny表示，“我们正努力构建一个完整的评估体系，从个体植物压力反应到整个森林生态系统的健康状况，进而更准确地评估公众面临的风险。如果一旦发生火源，森林将如何反应？”
Utkarsh Misra等人，《用于植物水分监测的石墨烯传感器内计算装置》，发表于《Nano Letters》，DOI: 10.1021/acs.nanolett.5c05507。
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