华中科技大学丁汉院士/吴志刚教授《Small》:可用于植物检测和生长操控的液态金属水转印

实时检测活体植物生理信号及操控植物生长能够为植物学研究植物机器人以及精准作物管理提供实用和精确的手段。将传感器和功能器件集成并应用到植物上,对于构建生物智能系统和植物机器人具有重要意义。

近日,华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室丁汉院士和吴志刚教授联合团队,合作研发了液态金属变形电子水转印技术,并成功将其应用于植物的检测和生长操控。相关工作以“Hydroprinted Liquid‐Alloy‐Based Morphing Electronics for Fast‐Growing/Tender Plants: From Physiology Monitoring to Habit Manipulation”发表在《Small》。博士研究生江佳俊和张硕为共同第一作者,吴志刚教授为通讯作者。

华中科技大学丁汉院士/吴志刚教授《Small》:可用于植物检测和生长操控的液态金属水转印

新兴的表皮电子技术近年来发展迅速,形成了许多可应用于人体和动物生理信号检测的成熟技术,对于检测植物信号和创造植物机器人具有理想潜力。然而,表皮电子技术在植物上的集成存在几个苛刻挑战。

首先,许多植物太过脆弱和娇嫩,难以承受强烈的外部物理/化学刺激,如机械压力、热、酸碱、毒性化学蒸汽等,因而植物电子制造过程必须轻柔温和;其次,由于植物生长发育快速,且形态会发生明显变化,因此植物表皮电子系统应该具有本质可变形性,能够依附植物形态变化的同时不影响其生长;第三,植物不规则的形状及表皮复杂的微纳结构,需要特殊的形状顺形和表皮粘附技术。目前存在的制造加工技术难以同时应对这三个挑战。

吴志刚教授团队在液态金属领域开展了长期研究,先前的研究发现液态金属的高流动性,可被选择性印刷在复杂三维表面上(ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 7, 7148),这使得基于液态金属的变形电子成为植物集成智能系统的潜在解决方案。

此前制造3D表面液态金属电路的方法往往依赖于机械压力或刺激性化学试剂,容易对脆弱植物造成损伤,同时,很多植物表皮的微纳结构导致其对液态金属的界面附着力非常弱,无法直接进行液态金属印刷。为此,本工作提出了液态金属水转印技术(图1A),利用水转印技术制作过程的温和条件特性与液态金属的流动性,开发出了具有本质变形能力的植物变形电子,这种植物变形电子能够保持功能稳定的同时顺应植物的快速生长(最高达到2.3mm/h),随着植物形状变化而变化,且不引入外界应力和约束。

华中科技大学丁汉院士/吴志刚教授《Small》:可用于植物检测和生长操控的液态金属水转印

图1(A)用于植物的液态金属水转印过程示意图;(B)亲/疏液态金属植物表面转印原理;(C)豆芽长度检测传感器;(D)玫瑰花表面印刷的液态金属二维码;(E)花瓣从新鲜到枯萎皱缩,表面的LED电路保持功能良好;(F)液态金属功能电路引导豆芽生长缠绕梯子结构。

液态金属在空气中会发生氧化并形成一层薄薄的氧化膜,氧化膜能够将液态金属粘附在很多不同形貌的材料表面上,同时其也能够保持液态金属的形状稳定。但是液态金属在与微纳结构表面接触时会在界面处形成空气间隙,阻止液态金属的粘附,如玫瑰花瓣和百合花瓣等。本工作中测量了液态金属在不同植物表面的前进、后退和静态接触角(图2A),并计算了不同表面移除液态金属所需表面能(图2B),所需表面能越低表示液态金属越难粘附在其表面上。

华中科技大学丁汉院士/吴志刚教授《Small》:可用于植物检测和生长操控的液态金属水转印
液态金属液滴在新鲜和润湿玫瑰花瓣表面行为对比

 

虽然液态金属无法直接粘附在如玫瑰花瓣这样的微纳结构表面上,但是通过水转印技术却能稳定地转印到此类表面。研究者发现,原本无法直接粘附的花瓣在充分润湿后,液态金属能够很容易地粘附上去(图2C),液态金属的后退接触角及对应的移除所需表面能也在润湿后发生了很大变化(图2D),因此研究者推测水转印过程中,水溶液会进入植物表面微纳结构中,并作为高能液体转变微纳米结构的疏液态金属特性,将液态金属粘附在植物表面,在后处理的干燥过程中,微纳结构中的水分挥发或被植物吸收,水分与液态金属之间的相互作用力引导液态金属渗透进植物表面的微小结构中,从而使液态金属稳定保持位置和形状(图2E),转印后液态金属包裹玫瑰花瓣表面微乳突的超景深显微镜照片也证明了这一点(图2F)。

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图2(A)液态金属在不同植物表面前进、后退、静态接触角;(B)不同表面移除液态金属所需表面能计算值;(C)液态金属在新鲜和润湿花瓣表面行为对比;(D)液态金属在不同状态花瓣上接触角;(E)水转印过程中,疏液态金属表面转印及粘附液态金属原理;(F)转印后玫瑰花瓣表面超景深显微镜照片。

为了验证水转印过程及液态金属本身对于植物的安全性,本工作以豆芽为例进行了生长对照实验(图3A),发现所有分组的豆芽均能正常长高并生长出新的上胚轴和绿叶,并且实验组与对照组平均高度差小于5%,表明液态金属和水转印过程对于植物的健康和生长无明显影响。在此基础上,本工作展示了几种植物上的传感和功能应用,包括测量花瓣含水量(图3B)和检测豆芽生长长度(图3C),通过功能电路的布置和设计,使得液态金属变形电子与植物本体形成植物机器人,通过控制电路的光刺激响应,选择性地操纵植物的生长方向(图3D,E),该应用展现了本工艺在植物上的顺行性、可变形性和功能性。

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图3(A)原始组、水浸泡组及水转印组豆芽生长高度-生长时间曲线;(B)玫瑰花瓣、百合花瓣含水量传感器相对阻值-相对含水量曲线;(C)豆芽长度传感器相对长度-时间曲线;(D)光刺激电路下豆芽弯曲角度 –时间曲线;(E)豆芽在刺激电路引导下交叉缠绕梯子结构,框图内为初始和结束状态下液态金属线路放大照片。

华中科技大学丁汉院士/吴志刚教授《Small》:可用于植物检测和生长操控的液态金属水转印

豆芽生长过程

此外,水转印液态金属技术凭借水的流动性还具有特殊的印刷能力。工作中展示了将液态金属图案印刷到复杂变曲率三维表面(图4A),通过多次转印制作出360°环绕电路(图4B)、单次成型的双面连通电路(图4C)以及转印狭窄空间的内壁电路等(图4D)。

华中科技大学丁汉院士/吴志刚教授《Small》:可用于植物检测和生长操控的液态金属水转印

图4(A)印刷到复杂变曲率三维表面上的LED电路;(B)分两次转印的360°环绕圆柱液态金属带;(C)单次成型的双面连通液态金属电路;(D)印刷在狭小醒酒器内壁上的“HUST”logo。

小结

本工作提出了液态金属水转印的技术方法,能够将液态金属直接转印到植物表面。同时本工作发现并解释了水转印过程中引入的高能液体能够克服微纳米结构的疏液态金属特性,将液态金属粘附到植物表面并引导液态金属渗透进植物微结构中的现象和原理。该工作证明了液态金属变形电子应用于快速生长植物的可行性和功能性,为生物智能系统和植物机器人的研制提供了新思路,并为植物学和精准农业的研究和开发提供了新的工具技术。

 

原文链接:

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

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