Thiết bị ‘giao tiếp’ với thực vật, một bước đột phá mới của các nhà khoa học Singapore

Bình luận Văn Thiện • 01:53, 23/03/21

Giúp NTDVN sửa lỗi

Một nhóm các nhà khoa học do Đại học Công nghệ Nanyang (NTU) Singapore dẫn đầu đã phát triển một thiết bị có thể truyền tín hiệu điện đến và đi từ thực vật, mở ra cánh cửa cho các công nghệ mới sử dụng thực vật.

Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã biết thực vật có thể phát ra tín hiệu điện để cảm nhận và phản ứng với môi trường xung quanh. Nhóm nghiên cứu của 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 hữu ích, chẳng hạn như robot dựa trên thực vật hoặc tăng cường an ninh lương thực thông qua việc phát hiện sâu bệnh sớm.

Tuy nhiên, tín hiệu điện của thực vật rất yếu và chỉ có thể được phát hiện khi điện cực tiếp xúc tốt với bề mặt 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 đáng tin cậy. Để vượt qua khó khăn kể trên, nhóm NTU đã lấy cảm hứng từ điện tâm đồ (ECG), một thiết bị được sử dụng để phát hiện các bất thường của tim thông qua các dao động điện.

Nhóm 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 thông qua 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 tín hiệu điện để theo dõi cách cây phản ứng với môi trường và truyền tín hiệu điện đến cây bắt ruồi để khiến cây đóng lá.

Robot dựa trên thực vật 

Để chứng minh có thể giao tiếp với thực vật, các nhà khoa học đã gắn thiết bị “giao tiếp” của họ 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 có đường kính 3 mm và vô hại đối với cây. Nó không ảnh hưởng đến chức năng thực hiện quang hợp của cây trong khi phát hiện thành công các tín hiệu điện từ cây. Sử dụng điện thoại thông minh để truyền xung điện tới thiết bị ở một tần số cụ thể, nhóm nghiên cứu đã khiến cây bắt ruồi đóng lá trong 1,3 giây.

Các tín hiệu điện được truyền đến cây bằng điện thoại thông minh, khiến cho cây bắt ruồi Venus đóng lá theo yêu cầu. (Ảnh: NTU Singapore)
Các tín hiệu điện được truyền đến cây bằng điện thoại thông minh, khiến cho cây bắt ruồi Venus đóng lá theo yêu cầu. (Ảnh: NTU Singapore)

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 nửa milimet.

Nhóm nghiên cứu cho biết, phát hiện của họ, được công bố trên tạp chí khoa học Nature Electronics vào tháng Giêng, chứng minh triển vọng trong việc thiết kế các hệ thống công nghệ dựa trên thực vật. Cách tiếp cận của họ có thể dẫn đến việc tạo ra các bộ gắp robot nhạy cảm hơn để nhặt các vật dễ vỡ.

Theo dõi sức khỏe cây trồng

Nhóm nghiên cứu hình dung ra một tương lai nơi nông dân có thể thực hiện các bước để bảo vệ cây trồng của họ bằng cách sử dụng thiết bị “giao tiếp” với thực vật mà họ đã phát triển.

Tác giả chính của nghiên cứu, Chen Xiaodong, Giáo sư về Khoa học Vật liệu và Kỹ thuật tại NTU Singapore cho biết: "Biến đổi khí hậu đang đe dọa an ninh lương thực trên toàn thế giới. Bằng cách theo dõi các tín hiệu điện của thực vật, chúng ta có thể phát hiện ra các tín hiệu nguy cấp có thể xảy ra và các bất thường. Khi sử dụng cho mục đích nông nghiệp, nông dân có thể phát hiện ra việc sâu bệnh đang tiến triển, ngay cả trước khi các triệu chứng rõ ràng xuất hiện trên cây trồng, chẳng hạn như lá úa vàng. Điều này có thể tạo cơ hội cho chúng ta hành động nhanh chóng để tối đa hóa năng suất cây trồng cho người dân”.

Cải thiện hiệu suất của thiết bị

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

Nghiên cứu riêng biệt này, được công bố trên tạp chí khoa học Advanced Materials vào tháng 3, phát hiện ra rằng bằng cách sử dụng một loại hydrogel được gọi là thermogel - loại vật liệu có khả năng chuyển dần từ dạng lỏng sang dạng gel và có thể co giãn ở nhiệt độ phòng - giúp thiết bị “giao tiếp” gắn vào được nhiều loại thực vật hơn và tăng hiệu suất phát hiện tín hiệu.

Đồng tác giả chính của nghiên cứu, Giáo sư Chen Xiaodong cho biết: "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 gel. Khi được thử nghiệm, chẳng hạn 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 tiếng ồn xung quanh hơn”.

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

Trong tương lai, nhóm NTU đang tìm cách phát triển các ứng dụng khác bằng cách sử dụng phiên bản cải tiến của thiết bị “giao tiếp” với thực vật của họ.

Văn Thiện

Theo Sciencedaily

Khoa học Công nghệ


BÀI CHỌN LỌC

Thiết bị ‘giao tiếp’ với thực vật, một bước đột phá mới của các nhà khoa học Singapore