植物具有一系列复杂的功能，包括行为可塑性，类似于网络的交流，学习和记忆的能力，复杂的形态发生和复杂的功能微结构。特别是维纳斯捕蝇器（Dionaeamuscipula）是一种能将昆虫锁在其裂片中的thigmonastic植物。触碰其上表皮会产生动作电位（AP），可触发捕蝇器快速闭合。由于捕蝇器的启动是由电生理信号在内部触发的，因此理论上通过外部电对植物的电生理进行人为干预可以调节其启动行为。
为了电干扰植物的电生理，存在两个关键挑战。首先是创建一个物理接口以允许与植物进行通信。这种界面应集成在植物表面上，而不影响植物的运动或生理。与人体皮肤不同，植物的表面受到疏水性蜡质表皮层的保护，这使得薄膜电子设备的连接变得困难。第二个挑战是与植物实现有效的沟通。当前，不存在与植物的标准化电通信方法。已经实现了电刺激引起的捕蝇器闭合，但机理尚不清楚，并且不可能进行精确的调节。
由于其自适应的界面特性，软执行器可比刚性执行器执行更精细的任务。然而，传统的聚合物软致动器依靠能量转换来致动，从而导致高功率输入或响应缓慢。最近，南洋理工大学陈晓东教授团队报告一个基于电植物的执行器，该执行器使用合适的电接口作为电调制单元，并使用维纳斯捕蝇器作为执行单元。相关论文以题为Anon-demandplant-basedactuatorcreatedusingconformableelectrodes发表在《NatureElectronics》上。使用频率相关的动作电位调制，可以实现精确的按需致动，响应时间可以调整到1.3s，功率输入仅为W。执行器可以使用智能手机进行无线控制。它也可以安装在各种平台（包括手指和机械手）上，并且可以用于抓住细线并捕获移动的物体。
作者展示了金星捕蝇器的闸门响应如何可用于构建按需执行器设备。开发了适合植物的电极作为物理接口，并探索了与频率相关的动作电位调制作为电通信协议。由此产生的基于植物的致动器（称为植物致动器）使用维纳斯捕蝇器叶作为致动单元，并使用合适的电极作为电调制单元（图1a）。电动植物致动器不需要能量转换，而且具有高功率效率（输入电压和功率分别低至1.5V和10-5W）。它也具有响应能力（响应时间可以调制到1.3s左右），与基于互补金属氧化物半导体（CMOS）的电子产品兼容（可通过Wi-Fi模块轻松访问以进行无线智能手机控制），模块化且可安装在各种型号上平台（可与植物茎隔离，并集成在手指，机械手或机械手上），并能够捕获精细和移动的物体。
图1：电调制的生物混合植物致动器。
适用于植物电调制的电极
作者的适形电极通过采用柔软的粘性水凝胶层作为植物接触层，并使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）上的金（Au）纳米网作为电子转换层，解决了这些问题（图1b）。顺应性电极系统可以同时将定制的调制电传递至植物并检测来自植物的电信号，从而提供了一种在电调制过程中监控植物电生理信号的方法（图1a）。顺应性电极也是非侵入性的，因为它仅在被表皮层隔开的植物组织中感测或感应电容性电流，而在植物和电极之间没有发生电化学反应。粘合剂水凝胶是由丙烯酸单体与10mMKCl离子添加剂的热聚合反应制得的。粘性聚丙烯酸水凝胶膜使电极能够粘附并贴合植物表面（图1c）。在从植物表面90°剥离的测试中，带有水凝胶层的电极的粘合强度为15.6Nm-1，而没有水凝胶的电极的粘合力可忽略不计（图1d）。这证实了在水凝胶层和植物表面之间存在粘合界面。水凝胶层还具有离子导电性，可拉伸性，生物相容性和透明性，足以发生正常的叶绿素活性。与目前用于植物表面电势测量的非侵入式Ag/AgCl-琼脂电极设定的金标准相比，作者的顺应性电极从打开状态到关闭状态都更好地附着在捕蝇器叶上（图1e）。这种牢固的附着力可确保连续准确地感应电信号并传递调制电。此外，这是必要的，因为捕蝇器具有快速的鼻腔反应。如图1e所示，在捕蝇器关闭期间，Ag/AgCl-琼脂电极很容易从叶表皮上脱落。植物内的阻抗测量表明，适形电极的牢固附着力降低了接触阻抗（图1f）。从适形电极和Ag/AgCl-琼脂电极获得的AP信号的形状具有可比性（图1g）。对9个AP信号的分析（图1h）进一步证实，适形电极（92.7a±3.7（mV）呈现出比Ag/AgCl-琼脂电极（70.6±5.8mV）更大的信号幅度。
捕蝇器的电调制
为了电驱动捕蝇器，我们在两个瓣的每一个上都安装了一对合适的电极（图2a）。一对电极用于刺激，另一对电极用于获取电位信号。捕蝇器的致动是通过归一化的叶边缘距离y/y0来衡量的，其中y表示两个瓣的边缘距离，而y0是捕蝇器致动之前的初始边缘距离。在3V的直流电（d.c.）刺激下，立即产生一个AP，然后在40s的刺激期间内产生一系列AP（图2b，c）。有趣的是，类似于捕蝇器的机械刺激，电刺激还会在第二个AP之后引起叶闭合（图2c），这表明电捕蝇器需要两个AP。不同的直流电从0.5到3.0V的电压激励显示出约1.5V的阈值电压（图2d）。在≥1.5V的刺激下观察到一系列自主AP，而在1.5V的刺激下未观察到AP（图2e）。为了验证这一点，将响应时间（定义为从y/y0数据中提取的刺激开始与捕蝇器启动开始之间的时间间隔）与前两个AP间隔进行了比较（图2f）。
图2：直流电对捕蝇器的刺激电压。
而在直流高于1.5V的刺激会诱使一系列AP发生捕蝇器关闭，第二个AP的出现，因此捕蝇器关闭的响应时间通常是随机的。从dc更改电刺激时。对于方波，可以更快速，更准确地调制驱动行为。在0.1Hz的激励频率下，响应时间通常为4.7±1.4s（图3a）。将频率提高到0.5Hz可以将响应时间缩短到1.8±0.4s。但是，超过0.5Hz时，响应时间平稳期减小。在2Hz时，响应时间仅降低至1.3±0.1s。为了了解刺激频率如何调节响应时间，我们在方波刺激过程中将电位信号与两个合适的电极对进行了配准。方波包含一个上升沿和一个下降沿，它们各自感应一个AP（图3b）。
图3：捕蝇器驱动的频率相关调制。
按需电动植物致动器
鉴于人与环境交互对网络界面的依赖性越来越高，通过实现智能手机可控的植物致动器来测试模块化捕蝇器（图4a，b）。由于该植物致动器的阈值电压低至1.5V，因此可通过小型电子系统（例如输出电压为3.3V的典型Wi-Fi芯片）访问网络空间。如图4a，b所示，用户通过智能手机应用程序发出的命令通过Internet发送到包含通用输入/输出（GPIO）端子的Wi-Fi模块（ESP）。机械臂，如前所述，通过智能手机激活了捕蝇器，导致叶片闭合并拾取了一根细（直径为0.5毫米）的铂（Pt）线（图4c）。由于该植物致动器的响应时间可以精确调节，因此证明了它也可以用于动态环境中以捕获移动物体（图4c）。
图4：模块化电动植物致动器与其他平台的集成。
参考文献：doi.org/10./s---4
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