華科：基於液態金屬水轉印技術面向快速生長嬌嫩植物的變形電子

2020-09-05 小材科研

近日，期刊《Small》（影響因子11.459）在線刊發了華中科技大學數字製造裝備與技術國家重點實驗室丁漢院士、吳志剛教授聯合團隊關於液態金屬的最新研究成果：Hydroprinted Liquid‐Alloy‐Based Morphing Electronics for Fast‐Growing/Tender Plants: From Physiology Monitoring to Habit Manipulation（基於液態金屬水轉印技術面向快速生長嬌嫩植物的變形電子：從生理檢測到生長操控）。博士研究生江佳俊、張碩為共同第一作者，吳志剛教授為通訊作者。

實時檢測活體植物生理信號並操控植物生長能夠為植物學研究、植物機器人以及精準作物管理提供實用和精確的手段，將傳感器和功能器件集成並應用到植物上，對於構建生物智能系統和植物機器人具有重要意義。

新興的表皮電子技術近年來發展迅速，形成了許多應用於人體和動物生理信號檢測的成熟技術，對於檢測植物信號和創造植物機器人具有理想潛力。然而，表皮電子技術在植物上的集成存在幾個苛刻挑戰。首先，許多植物太過脆弱和嬌嫩，難以承受強烈的外部物理/化學刺激，如機械壓力、熱、酸鹼、毒性化學蒸汽等，因而植物電子製造過程必須輕柔溫和；其次，由於植物生長發育快速，且形態會發生明顯變化，因此形成的表皮電子系統應該具有本質可變形性，能夠依附植物形態變化同時不影響其生長；第三，植物表皮複雜的微納米尺度結構，需要特殊的表皮附著技術。目前存在的製造加工技術難以同時應對這三個挑戰。

吳志剛教授團隊長期開展液態金屬方面的研究，發現鎵銦錫液態金屬低毒性可被植物體耐受，同時其具有液體的高流動性，可被操控附著在複雜三維表面上，這使得基於液態金屬的變形電子的成為植物集成智能系統的潛在解決方案。此前許多方法被提出用於製造3D表面液態金屬電路，然而這些方法往往依賴於機械壓力，容易對脆弱植物造成損傷，同時，很多植物表皮的微、納米級複雜結構導致其對液態金屬的界面附著力非常弱，無法直接進行液態金屬印刷。

本工作提出了液態金屬水轉印技術，發現並解釋了水轉印過程中的高能液體能夠克服微、納米結構的疏液態金屬特性，將液態金屬貼附在植物表面並引導液態金屬滲透進植物表面的微小結構中，從而使液態金屬保持穩定的預設位置和形狀。研究團隊充分利用水轉印技術製作過程的溫和特性與液態金屬的流動性，開發出了具有本質變形能力的植物變形電子，這種植物變形電子在快速生長(最高達到2.3mm/h)的植物表皮上能夠保持功能穩定，並且適用於多種植物和應用，工作中展示了變形電子測量花瓣含水量和監測豆芽生長長度，還通過功能電路的布置和設計，使得液態金屬變形電子與植物本體形成植物機器人系統，通過控制電路的光刺激響應，可以選擇性地操縱植物的生長方向。此外，水轉印液態金屬技術具有極高的順形性和普適性，能將圖案印刷到曲率不連續的複雜三維曲面上，通過特殊的設計方法還能製作出360°環繞電路、單次成型的雙面連通電路、狹窄空間的內壁電路等。

該工作證明了液態金屬變形電子應用於快速生長植物的可行性和功能性，為生物智能系統和植物機器人的研製提供了新思路，並為植物學和精準農業的研究和開發提供了新的工具技術。

該工作受到國家重點研發項目課題(No. 2017YFB1303100)和國家自然科學基金（No. U1613204）的支持。

來源：華中科技大學

論文連結：

https://doi.org/10.1002/smll.202003833

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