太原理工大学张虎林教授团队《Nano Res.》：基于水凝胶电极电压触发的无源捕蝇草传感器/执行器

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捕蝇草是一种食虫植物，接触其上表皮会产生动作电位（APs），可以触发捕蝇草的快速闭合。理论上，可以通过人工干扰电生理调节其驱动行为。然而，植物的表面存在疏水的蜡质层的保护，使得附着电子设备十分困难。并且，捕蝇草的闭合机制尚不清楚，不可能进行精确的调制。

图1 捕蝇草致动器和执行器设计示意图

近期，太原理工大学信息与计算机学院张虎林教授团队首次通过引入一种新型的PAA水凝胶电极，制备了捕蝇草的传感器和执行器（图1）。该水凝胶电极具备优异电学和力学性能，能够保证信号的测量和传输稳定，并且，能够在环境中长时间使用。基于此电极，他们测量了捕蝇草的动作电位，并发现了捕蝇草的闭合机制。基于捕蝇草的动作电位，制备了自驱动捕蝇草传感器矩阵，可以用来定位采集花蜜过程中的蜂群（图2）。此外，他们还基于频率相关的AP调制，使用摩擦纳米发电机触发的调制信号实现对捕蝇草的自主按需驱动，以抓取微小物体（图3）。这项研究将会为基于植物的自主传感器和执行器提供了更多选择，在智能农业和智能机器人设备方面具有巨大潜力。该工作以“A bioinspired, self-powered, flytrap-based sensor and actuator enabled by voltage triggered hydrogel electrodes”为题发表在《Nano Research》上。文章第一作者是太原理工大学硕士研究生后治良，通讯作者为王中林教授和张虎林教授，该研究得到了山西省自然科学基金等项目的支持。

图2 自驱动捕蝇草传感

图3 自驱动捕蝇草执行器

该成果是张虎林教授团队关于水凝胶电极器件研究的最新进展之一，团队首次利用基于PAA水凝胶电极的捕蝇草制备了植物传感器和执行器。这项工作将会推动植物传感器和执行器在智能农业和智能机器人等领域的应用与发展。张教授团队专注于凝胶器件的开发与应用，在过去的两年中，张教授团队基于水凝胶器件制备了一系列环境能量收集以及自驱动传感设备，同时积极开拓凝胶器件的应用场景，取得了一系列的研究成果，具体详见：Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2204803, Nano Energy 2022, 99, 107318, Nano Energy 2022, 100, 107449, Nano Energy 2021, 89, 106465, J. Mater. Chem. C 2022, 10, 13789, ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 37316, ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 48743, ACS Appl. Energy Mater. 2021, 4, 14700,等等。

原文链接：

https://link.springer.com/article/10.1007/s12274-023-5621-2

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