石墨烯“叶片纹身”传感器实时追踪植物水分

你的室内植物渴了吗？作物是否获得足够的水分？森林是否面临高野火风险？叶片健康可以解答所有这些问题，德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员开发了新技术，可以更准确地测量水分水平，同时不会伤害植物。研究人员开发了一种用于叶片的电子纹身，利用高度柔韧且可持续的石墨烯来追踪水分水平。它能附着在叶片上而不伤害叶片，这比目前仅适用于枯叶或干枯叶片或间接测量的方法有了很大改进。

“能够直接测量和监测活叶随时间变化，尤其是在光合作用阶段，这让我们能够获得更多信息来了解植物生态系统的健康状况，无论是单个植物还是整个森林，”Cockrell工程学院Chandra Family电气与计算机工程系副教授、最近发表在《纳米快报》上新研究的领导者之一让·安妮·英科维亚说。

叶片水位是判断“活性燃料含水量”的最佳指标，杰克逊地球科学学院地球与行星科学系副教授阿什利·马西尼说。这些成分是野火的主要预测因子之一，但难以测量。

如今直接从活叶中收集水分是一个非常手工且有害的过程。大多数方法包括剪断树枝，或者在某些情况下，甚至将树枝射落。

安装在植物叶片底部的电子纹身传感器可以像大脑一样处理信息，分析收集时的数据。图片来源：德克萨斯大学奥斯汀分校

德克萨斯大学奥斯汀分校的技术提供了一种更简单、更高效的方法，可以测量活叶子中较长时间的湿度。

马塞尼说：“我们不必在一天中所有时间派人出动，而是可以在关键时刻如清晨、傍晚，或炎热多风的日子，几乎瞬间收集数据，观察数据对环境信号的反应，”专注于植被、水和土壤及其对干旱和野火等重大问题影响的马塞尼说。“我们能够收集比现有技术更多的信息，而且方式更简单。”

除了预测野火外，这种方法还可能带来农业产量、水资源保护和粮食安全的提升。

施加的传感器施加的轻微冲击会使叶片内的离子向器件移动或远离，从而改变其导电率。这一变化反映了叶片的水分水平。

这些设备每次电导更新只需23个阿托焦耳（aJ）能量，读取数据所需的功率为0.23微瓦。一块适中的太阳能电池板可以同时为数百万个此类传感器供电，非常适合大规模部署在偏远农田或大片森林中。

传感器还表现出人工突触行为，意味着它们可以像生物大脑一样存储和处理信息。这一能力使传感器能够在数据收集点进行计算，减少向外部处理器传输高能耗的需求。

如果不是德州大学的一个连接新晋教授的项目，这项技术可能永远不会走出实验室。Incorvia实验室的研究人员正在进行另一个关于利用石墨烯感测质子运动的项目，一位访问本科生Maya Borowicz（作者之一）萌生了将它应用于叶片的想法。

这是一个有趣的暑期项目，因科维亚通过德州大学副教授实验项目认识了马塞尼，该项目旨在促进四十英亩学院教师之间的跨学科交流。Incorvia 进来时对叶子传感器该怎么办感到不确定。

在马塞尼身上，她找到了完美的伴侣。此前，Matheny的工作主要集中在木材和土壤上，但她希望拓展工作范围，以更清晰地了解生态系统健康及火灾、干旱和高温应激带来的风险。

研究人员计划将这项工作与Matheny之前关于土壤和木材水分含量的研究结合起来，以提升野火预测能力。

“如果我了解树叶的情况，我就能更好地预测木头的情况，”马塞尼说。“我们正在从压力反应到当前森林中发生的情况，全面评估公众面临的风险。如果发生某种点火事件，森林会怎样？”

Utkarsh Misra 等人，《用于植物水分监测的石墨烯传感器内计算装置》，Nano Letters（2026）。DOI：10.1021/acs.nanolett.5c05507

期刊信息：Nano Letters 

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