NTU: Phát triển thành công thiết bị “giao tiếp” với thực vật bằng tín hiệu điện

Một nhóm các nhà khoa học dẫn đầu bởi Đại học Công nghệ Nanyang (NTU), Singapore, đã phát triển một thiết bị có thể truyền tín hiệu điện giữa thực vật với nhau, qua đó mở ra cánh cửa cho các công nghệ mới sử dụng thực vật.

Nhóm nghiên cứu đến từ NTU đã phát triển thiết bị “giao tiếp” với thực vật bằng cách gắn một điện cực (một mảnh vật liệu dẫn điện) trên bề mặt của cây bắt ruồi Venus, trong đó sử dụng một chất kết dính mềm gọi là hydrogel. Với điện cực được gắn vào bề mặt của cây, các nhà nghiên cứu có thể thu được tín hiệu điện để theo dõi cách thức phản ứng của cây với môi trường và truyền tín hiệu điện đến Venus để khiến cây đóng lá.

Các nhà khoa học trong nhiều thập kỷ đã biết thực vật có thể phát ra tín hiệu điện để cảm nhận và phản ứng với môi trường xung quanh nó. Nhóm nghiên cứu đến từ NTU tin rằng việc phát triển khả năng đo tín hiệu điện của thực vật có thể tạo ra cơ hội cho một loạt các ứng dụng có ích, ví dụ như robot lấy các đồ vật dễ vỡ dựa trên thực vật hoặc tăng cường an ninh lương thực bằng cách phát hiện sâu bệnh sớm.

Dẫu vậy, tín hiệu điện của thực vật rất yếu, và chỉ có thể được phát hiện khi điện cực tiếp xúc tốt với bề mặt của thực vật. Các bề mặt có lông, sáp và không đều của thực vật khiến cho bất kỳ thiết bị điện tử màng mỏng nào khó có thể gắn và truyền tín hiệu một cách dễ dàng. Để vượt qua khó khăn kể này, nhóm nghiên cứu đến từ NTU đã lấy cảm hứng từ điện tâm đồ (ECG), thiết bị được sử dụng để phát hiện các dấu hiệu bất thường của tim bằng cách đo các dao động về điện do cơ quan này tạo ra.

Truyền tín hiệu điện để tạo ra một Robot dựa trên thực vật theo yêu cầu 

Để chứng minh khả năng giao tiếp với thực vật, các nhà khoa học đã gắn thiết bị “giao tiếp” của mình vào bề mặt của một cây bắt ruồi Venus – một loài thực vật ăn thịt với các thùy lá có lông có thể bắt côn trùng khi được kích hoạt.

Thiết bị này có đường kính 3mm và vô hại đối với cây. Nó không ảnh hưởng đến khả năng quang hợp của cây trong khi phát hiện thành công các tín hiệu điện từ cây. Sử dụng một chiếc điện thoại thông minh để truyền xung điện tới thiết bị ở một tần số nhất định, nhóm nghiên cứu đã khiến cây bắt ruồi đóng lá trong 1,3 giây.

Các nhà nghiên cứu cũng đã gắn cây bắt ruồi Venus vào một cánh tay robot và thông qua điện thoại thông minh và thiết bị “giao tiếp,” kích thích lá của nó đóng lại và nhặt một đoạn dây có đường kính 0.5mm.

Nhóm nghiên cứu cho biết phát hiện của mình đã được công bố trên tạp chí Nature Electronics vào tháng 1/2021, qua đó cho thấy triển vọng trong việc thiết kế các hệ thống công nghệ dựa trên thực vật trong tương lai. Cách tiếp cận của nhóm có thể dẫn đến việc tạo ra các bộ gắp robot nhạy cảm hơn để nhặt các đồ vật dễ vỡ.

Nhận tín hiệu điện để theo dõi sức khỏe của cây trồng

Nhóm nghiên cứu hình dung về một tương lai nơi những người nông dân có thể thực hiện các biện pháp nhằm bảo vệ cây trồng của mình bằng cách sử dụng thiết bị “giao tiếp” với thực vật mà họ đã phát triển.

Chen Xiaodong, tác giả chính của nghiên cứu, Giáo sư về Khoa học Vật liệu và Kỹ thuật tại NTU Singapore cho hay: “Bằng cách theo dõi các tín hiệu điện của thực vật, chúng ta có thể phát hiện ra các tín hiệu nguy hiểm và vấn đề bất thường có thể xảy ra. Khi sử dụng cho mục đích nông nghiệp, những người nông dân có thể phát hiện ra việc sâu bệnh đang tiến triển, ngay cả trước khi các triệu chứng xuất hiện một cách rõ rệt trên cây trồng, ví như lá úa vàng. Điều này có thể tạo ra cơ hội cho chúng ta bắt tay hành động nhanh chóng nhằm tối đa hóa năng suất cây trồng cho người dân.”

Cải thiện tính năng của thiết bị: Keo lỏng với độ kết dính mạnh hơn

Để cải thiện hiệu suất của thiết bị “giao tiếp” với cây trồng, các nhà khoa học đến từ NTU cũng đã hợp tác với các nhà nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu Vật liệu và Kỹ thuật (IMRE), một đơn vị thuộc Cơ quan Khoa học, Công nghệ và Nghiên cứu Singapore.

Kết quả của nghiên cứu riêng biệt này được công bố trên tạp chí khoa học Advanced Materials vào tháng 3/2021, trong đó phát hiện ra rằng bằng việc sử dụng một loại hydrogel có tên là thermogel, có thể chuyển dần từ dạng lỏng sang dạng gel có thể co giãn ở nhiệt độ phòng, nhờ đó giúp cho thiết bị “giao tiếp” gắn vào được nhiều loại thực vật hơn (với các kết cấu bề mặt khác nhau) và đạt được khả năng phát hiện tín hiệu với chất lượng cao hơn, mặc dù thực vật đang di chuyển và phát triển để phản ứng với môi trường.

Đồng tác giả chính của nghiên cứu, Giáo sư Chen Xiaodong, giải thích: “Vật liệu làm từ thermogel hoạt động giống như nước ở trạng thái lỏng, có nghĩa là lớp kết dính có thể phù hợp với hình dạng của thực vật trước khi nó chuyển thành dạng gel. Khi được thử nghiệm, ví dụ trên thân cây có lông của hoa hướng dương, phiên bản cải tiến của thiết bị ‘giao tiếp’ với thực vật này đạt được độ kết dính gấp 4 đến 5 lần so với hydrogel thông thường và ghi lại tín hiệu mạnh hơn đáng kể và ít tạo ra tiếng ồn xung quanh hơn.”

Đồng tác giả chính của nghiên cứu đăng trên tạp chí Advanced Materials và Giám đốc điều hành của IMRE, Giáo sư Loh Xian Jun, cho hay: “Thiết bị hiện có thể bám vào nhiều loại bề mặt thực vật hơn, và cũng an toàn hơn, qua đó giúp đánh dấu một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực điện sinh lý thực vật (plant electrophysiology). Nó sẽ mở ra cơ hội mới cho các công nghệ dựa trên thực vật.”

Nhóm nghiên cứu đến từ NTU hiện đang tìm cách phát triển ra các ứng dụng khác bằng cách sử dụng phiên bản cải tiến của thiết bị “giao tiếp” với thực vật của họ.

Theo Science Daily,

Phan Anh

Xem thêm: