利用电子设备监测植物生长状态一直是十分重要的主题。然而，已有方法始终面临困境和瓶颈，这主要因植物生理信号通常隐藏于组织内所导致。本研究提出了一种全新理念—液态金属植物注射电子学，不仅可解决现有挑战，还赋予植物更加多样化的电学功能。根据这一原理，文章通过将液态金属注入活体植物目标部位，成功制造出各种基本的电子元件；同时，还展示了由此衍生的新应用，如高稳定电极、可长期工作传感器、可变特性隐形天线以及更多赛博电子。展望未来，液态金属植物注射电子学有望成为发展植物电生理学、电子植物、智慧农业和植物机器人的基本工具，并催生出更多的新兴技术和超常规应用。

不论是诗经中的“蒹葭苍苍，白露为霜”，还是唐诗中的“绿竹含新粉，红莲落故衣”，亦或是宋词中的“知否知否，应是绿肥红瘦”，自然界中的万千植物总是吸引着人们的关注。作为生物的一大类别，植物在地球上广泛分布，目之所及，尽是植物。随着社会不断进步，植物对于人类的意义，已远远超过最初的涵义。在各种探索实践中，若能赋予植物以多样化的电学功能，将打开诸多应用大门，其不仅可用作监测植物病害、生理生态调控、环境交互等，还可发展出崭新概念的植物混合电子。然而，以往由于缺乏高性能导电材料和应用技术，相应探索偏于迟缓。经典的以贴片电极和针状电极为代表的传感技术在植物电生理探测中面临诸多挑战，比如所获得信号保真度较低或者操作过程中稳定性有待提高，以及电学应用方式较为单一等。显然，突破上述限制，亟待提出新的理念和方法。

近日，由刘静教授带领的中科院理化技术研究所与清华大学联合研究小组，基于液态金属优异的导电性和流动性,首次提出并系统阐述了植物注射电子学新概念，其不仅有助于克服传统方法面临的瓶颈，而且可将广泛的电学功能充分赋予植物（图1）。作为典型示范，研究小组成功制备出以电阻、电感和电容等为代表的基本电子元件，并进一步在活体植物中原位制作了高稳定性电极、各种传感器以及具有可变特性的天线等器件，并开展了系列应用试验。值得注意的是，研究发现液态金属注射电极拥有极佳的捕捉植物内部信号的特性，并表现出卓越的抗外部干扰能力；由此构筑的植物内液态金属电阻和电容传感器则为实时监测植物位置和生理信号提供了便捷途径。更重要的是，通过注射获得的电容传感器可获得传统方法无法检测到的植物内部信息。而就活体植物中原位制造天线的试验，则进一步证明了液态金属植物注射电子学的潜力和价值。
 

图1. 液态金属赋予植物以各种电学功能如电阻、电容、电感、电极、传感器及天线等

理论上，为尽量减少对植物的损害，一般优选内部有空腔的植物。有意思的是，经过数百万年的进化，植物内部并不总是实心的。例如，在地球上广泛分布的禾本科植物通常就包括有空腔，它们的髓部在漫长演化过程中已经退化。竹子、水稻、小麦和生活中常见的蔬菜类植物均属于这一类。因此，具有优良流动性的液态金属可被直接注入植物内部目标空腔。实际上，植物注射电子学有很好的普遍适用性。比如，以仙人掌为代表的多肉类植物具有较大内部空间，对微创注射带来的细微损伤并不敏感，同样可被选作实验对象。随着液态金属植物注射电子学的发展，各种植物原则上均可作为应用载体，根据需要实现植物电子化、数字化、信息化，由此一个具备电学功能的植物世界便可被创造出来（图2）。

图2. 植物注射电子的制备方法及电子电路传感及照明应用情况

液态金属的粘度相当低，只有水的两倍左右，通过注射器即可进行实验操作，直接且高效。利用这种方法，通过向植物的目标位置注入液态金属可快速实现电感和电阻 （图2）。电感器主要由一组线圈组成，具有螺旋状结构，因此很适合验证液态金属在植物内部构建复杂电子电路的能力。本研究通过螺旋形的硬物在仙人掌内部制造了一个通道并成功将液态金属填充其中构造出了电感。若改变构建通道形状，则可在植物内制造出各种预期电子电路。这种内部互连的液态金属电路可被用来连接LED，作为照明或装饰。由于植物内部的电路是不可见的，其也有望用于需要隐藏电线的场景。这些实验表明在植物内部构建基本电子元件的可行性。此外，鉴于液态金属的形状变化会伴随着其电阻变化，研究人员通过在仙人掌内注射液态金属，实现了一类简捷且实用的电阻传感器，成功用于监控植物的位置改变。这种传感器位于植物内部，在抗外界污染和干扰方面具有天然的优势。

传统的电极在精准获取植物内部信号以及操作稳定性方面面临挑战。为解决这一问题，研究小组开发了基于植物注射电子学的高稳定型液态金属电极，借助注射在植物内部实现了原位制造。进一步地，图3展示了该注射电极在测试植物内在电位的应用情况。与印刷电极相比，液态金属注射电极表现出优异的信号捕获能力，有利于精确检测植物的生理信号，进而推动精准农业的实施。电极在外部干扰作用下的稳定性对其实际使用也很重要，尤其是长期工作时更是如此。此项研究比较了液态金属注射电极和针状电极在同样干扰条件下的测试结果。实验表明，与刚性针状电极相比，液态金属注射电极记录的电位波动明显较小，证明了其出色的抗干扰特性。背后机理在于，当外部干扰出现时，具有优异变形能力的液态金属会与植物融为一体，同频变化，从而确保了电极的高稳定性和抗干扰能力。

图3. 具有优异信号捕捉能力和抗干扰特性的液态金属注射电极

由于具备优秀的动态响应性，电容式传感器一直受到广泛重视。在此项工作中，研究人员还基于液态金属注射电子学，演示了电容传感器在植物内的制备与应用。为最大程度上避免对植物的损害，选用了具有空腔的植物来进行实验。首先，研究提出了三种在活体植物内构造电容器的策略，如图4所示。通过理论分析和实验测试，证实电容器可在活体植物内原位制造，这为后续的植物传感奠定了基础。进一步地，考虑到电容器的电容值会受到植物组织电学特征的影响，可将上述获得的注射电容传感器用于测试植物生理状态的长期变化（图5）。这里，应注意的是，电容的低频范围更适合于植物传感，因为它们对于植物组织的变化更为灵敏。研究表明，位于植物内部的液态金属电容传感器在监测植物的内部变化方面具有明显优势。鉴于这些电学特征的突变先于外观改变，因此基于液态金属的注射电容传感器为及时监测植物的健康状况提供了一种有效方法。
 

图4. 植物内三类电容的制备策略及应用性能测试
 

图5. 电容式传感器用于监测植物的健康状况

进一步地，研究小组在活体竹子中制造出了具有可变特性的天线（图6），用以证明植物注射电子学的丰富价值。作为一种广泛使用的电子设备，天线在通信和遥感等不同领域发挥着重要作用。因此，将天线功能融合于广泛分布在地球上的植物，将产生许多有价值的新型应用。然而，以往由于缺乏可变形的导体，实现这一目标颇具挑战性。本研究中，基于液态金属良好的流动性和导电性的自然耦合，在活体植物内通过原位注射方式高效快捷地实现了偶极子天线。研究还同时评估了多种因素对天线性能的影响，以表明天线性能的可调性。作为对比，研究中同时也原位制备了一种单级子天线。与偶极子天线不同，单极子天线可将其馈线隐藏于土壤内部，因而可更好地进行伪装和隐蔽。最后，面向未来应用，论文提出了基于液态金属的植物天线阵列的概念。总之，活体植物内液态金属天线的原位制造预示着未来发展的巨大可能性，这被认为是植物可注射电子学的生动而有说服力的实践。
 

图6. 活体植物内原位注射得到的天线及其应用特性表征

不难看出，以上所演示的应用只是液态金属植物注射电子学众多可能中的一小部分，未来亟待拓展的空间很大，可望催生出诸多应用可能。以往，赛博电子在动物中的应用已为大家所知，本研究提出的植物注射电子学促成了赛博电子植物的问世。未来，随着在这一新方向上的持续探索，植物注射电子学将会不断完善，最终促成电子植物新世界的到来。

该工作以“Liquid metal enabled plant injectable electronics”为题发表在Materials Today上。中国科学院理化技术研究所双聘研究员、清华大学刘静教授为论文通讯作者，中国科学院大学本科生江牧之为论文第一作者，清华大学水木学者陈森博士为论文共同通讯作者和共同第一作者。该研究得到了中国博士后基金以及清华大学水木学者项目的支持。

原文链接：
https://authors.elsevier.com/a/1gyWV4tRoWVLKS