利用電子設備監測植物生長狀態一直是十分重要的主題。然而，已有方法始終面臨困境和瓶頸，這主要因植物生理信號通常隱藏于組織內所導致。本研究提出了一種全新理念—液態金屬植物注射電子學，不僅可解決現有挑戰，還賦予植物更加多樣化的電學功能。根據這一原理，文章通過將液態金屬注入活體植物目標部位，成功制造出各種基本的電子元件；同時，還展示了由此衍生的新應用，如高穩定電極、可長期工作傳感器、可變特性隱形天線以及更多賽博電子。展望未來，液態金屬植物注射電子學有望成為發展植物電生理學、電子植物、智慧農業和植物機器人的基本工具，并催生出更多的新興技術和超常規應用。

不論是詩經中的“蒹葭蒼蒼，白露為霜”，還是唐詩中的“綠竹含新粉，紅蓮落故衣”，亦或是宋詞中的“知否知否，應是綠肥紅瘦”，自然界中的萬千植物總是吸引著人們的關注。作為生物的一大類別，植物在地球上廣泛分布，目之所及，盡是植物。隨著社會不斷進步，植物對于人類的意義，已遠遠超過最初的涵義。在各種探索實踐中，若能賦予植物以多樣化的電學功能，將打開諸多應用大門，其不僅可用作監測植物病害、生理生態調控、環境交互等，還可發展出嶄新概念的植物混合電子。然而，以往由于缺乏高性能導電材料和應用技術，相應探索偏于遲緩。經典的以貼片電極和針狀電極為代表的傳感技術在植物電生理探測中面臨諸多挑戰，比如所獲得信號保真度較低或者操作過程中穩定性有待提高，以及電學應用方式較為單一等。顯然，突破上述限制，亟待提出新的理念和方法。

近日，由劉靜教授帶領的中科院理化技術研究所與清華大學聯合研究小組，基于液態金屬優異的導電性和流動性,首次提出并系統闡述了植物注射電子學新概念，其不僅有助于克服傳統方法面臨的瓶頸，而且可將廣泛的電學功能充分賦予植物（圖1）。作為典型示范，研究小組成功制備出以電阻、電感和電容等為代表的基本電子元件，并進一步在活體植物中原位制作了高穩定性電極、各種傳感器以及具有可變特性的天線等器件，并開展了系列應用試驗。值得注意的是，研究發現液態金屬注射電極擁有極佳的捕捉植物內部信號的特性，并表現出卓越的抗外部干擾能力；由此構筑的植物內液態金屬電阻和電容傳感器則為實時監測植物位置和生理信號提供了便捷途徑。更重要的是，通過注射獲得的電容傳感器可獲得傳統方法無法檢測到的植物內部信息。而就活體植物中原位制造天線的試驗，則進一步證明了液態金屬植物注射電子學的潛力和價值。
 

圖1. 液態金屬賦予植物以各種電學功能如電阻、電容、電感、電極、傳感器及天線等

理論上，為盡量減少對植物的損害，一般優選內部有空腔的植物。有意思的是，經過數百萬年的進化，植物內部并不總是實心的。例如，在地球上廣泛分布的禾本科植物通常就包括有空腔，它們的髓部在漫長演化過程中已經退化。竹子、水稻、小麥和生活中常見的蔬菜類植物均屬于這一類。因此，具有優良流動性的液態金屬可被直接注入植物內部目標空腔。實際上，植物注射電子學有很好的普遍適用性。比如，以仙人掌為代表的多肉類植物具有較大內部空間，對微創注射帶來的細微損傷并不敏感，同樣可被選作實驗對象。隨著液態金屬植物注射電子學的發展，各種植物原則上均可作為應用載體，根據需要實現植物電子化、數字化、信息化，由此一個具備電學功能的植物世界便可被創造出來（圖2）。

圖2. 植物注射電子的制備方法及電子電路傳感及照明應用情況

液態金屬的粘度相當低，只有水的兩倍左右，通過注射器即可進行實驗操作，直接且高效。利用這種方法，通過向植物的目標位置注入液態金屬可快速實現電感和電阻 （圖2）。電感器主要由一組線圈組成，具有螺旋狀結構，因此很適合驗證液態金屬在植物內部構建復雜電子電路的能力。本研究通過螺旋形的硬物在仙人掌內部制造了一個通道并成功將液態金屬填充其中構造出了電感。若改變構建通道形狀，則可在植物內制造出各種預期電子電路。這種內部互連的液態金屬電路可被用來連接LED，作為照明或裝飾。由于植物內部的電路是不可見的，其也有望用于需要隱藏電線的場景。這些實驗表明在植物內部構建基本電子元件的可行性。此外，鑒于液態金屬的形狀變化會伴隨著其電阻變化，研究人員通過在仙人掌內注射液態金屬，實現了一類簡捷且實用的電阻傳感器，成功用于監控植物的位置改變。這種傳感器位于植物內部，在抗外界污染和干擾方面具有天然的優勢。

傳統的電極在精準獲取植物內部信號以及操作穩定性方面面臨挑戰。為解決這一問題，研究小組開發了基于植物注射電子學的高穩定型液態金屬電極，借助注射在植物內部實現了原位制造。進一步地，圖3展示了該注射電極在測試植物內在電位的應用情況。與印刷電極相比，液態金屬注射電極表現出優異的信號捕獲能力，有利于精確檢測植物的生理信號，進而推動精準農業的實施。電極在外部干擾作用下的穩定性對其實際使用也很重要，尤其是長期工作時更是如此。此項研究比較了液態金屬注射電極和針狀電極在同樣干擾條件下的測試結果。實驗表明，與剛性針狀電極相比，液態金屬注射電極記錄的電位波動明顯較小，證明了其出色的抗干擾特性。背后機理在于，當外部干擾出現時，具有優異變形能力的液態金屬會與植物融為一體，同頻變化，從而確保了電極的高穩定性和抗干擾能力。

圖3. 具有優異信號捕捉能力和抗干擾特性的液態金屬注射電極

由于具備優秀的動態響應性，電容式傳感器一直受到廣泛重視。在此項工作中，研究人員還基于液態金屬注射電子學，演示了電容傳感器在植物內的制備與應用。為最大程度上避免對植物的損害，選用了具有空腔的植物來進行實驗。首先，研究提出了三種在活體植物內構造電容器的策略，如圖4所示。通過理論分析和實驗測試，證實電容器可在活體植物內原位制造，這為后續的植物傳感奠定了基礎。進一步地，考慮到電容器的電容值會受到植物組織電學特征的影響，可將上述獲得的注射電容傳感器用于測試植物生理狀態的長期變化（圖5）。這里，應注意的是，電容的低頻范圍更適合于植物傳感，因為它們對于植物組織的變化更為靈敏。研究表明，位于植物內部的液態金屬電容傳感器在監測植物的內部變化方面具有明顯優勢。鑒于這些電學特征的突變先于外觀改變，因此基于液態金屬的注射電容傳感器為及時監測植物的健康狀況提供了一種有效方法。
 

圖4. 植物內三類電容的制備策略及應用性能測試
 

圖5. 電容式傳感器用于監測植物的健康狀況

進一步地，研究小組在活體竹子中制造出了具有可變特性的天線（圖6），用以證明植物注射電子學的豐富價值。作為一種廣泛使用的電子設備，天線在通信和遙感等不同領域發揮著重要作用。因此，將天線功能融合于廣泛分布在地球上的植物，將產生許多有價值的新型應用。然而，以往由于缺乏可變形的導體，實現這一目標頗具挑戰性。本研究中，基于液態金屬良好的流動性和導電性的自然耦合，在活體植物內通過原位注射方式高效快捷地實現了偶極子天線。研究還同時評估了多種因素對天線性能的影響，以表明天線性能的可調性。作為對比，研究中同時也原位制備了一種單級子天線。與偶極子天線不同，單極子天線可將其饋線隱藏于土壤內部，因而可更好地進行偽裝和隱蔽。最后，面向未來應用，論文提出了基于液態金屬的植物天線陣列的概念?？傊铙w植物內液態金屬天線的原位制造預示著未來發展的巨大可能性，這被認為是植物可注射電子學的生動而有說服力的實踐。
 

圖6. 活體植物內原位注射得到的天線及其應用特性表征

不難看出，以上所演示的應用只是液態金屬植物注射電子學眾多可能中的一小部分，未來亟待拓展的空間很大，可望催生出諸多應用可能。以往，賽博電子在動物中的應用已為大家所知，本研究提出的植物注射電子學促成了賽博電子植物的問世。未來，隨著在這一新方向上的持續探索，植物注射電子學將會不斷完善，最終促成電子植物新世界的到來。

該工作以“Liquid metal enabled plant injectable electronics”為題發表在Materials Today上。中國科學院理化技術研究所雙聘研究員、清華大學劉靜教授為論文通訊作者，中國科學院大學本科生江牧之為論文第一作者，清華大學水木學者陳森博士為論文共同通訊作者和共同第一作者。該研究得到了中國博士后基金以及清華大學水木學者項目的支持。

原文鏈接：
https://authors.elsevier.com/a/1gyWV4tRoWVLKS