科學家用真菌菌絲制備柔性電路，成為可自我修復的溫度傳感器

科學家用真菌菌絲“種”出了一種活體生物電子皮膚：它不僅可以拉伸、持續生長和自我修復，還能感知并適應周圍環境。

由同名經典游戲改編的美劇《最后生還者（The Last of Us）》，讓許多人第一次關注到真菌菌絲網絡（mycelium，支撐蘑菇成為果實的生命體）的概念：一種能夠不斷生長、彼此連接，并形成龐大網絡的生命系統。

雖然現實中的真菌并不會像影視作品中那樣感染和控制人類，但它們確實具備持續生長、自我修復和環境響應等天然能力。如今，科學家正嘗試將這些生命特性與現代電子技術相結合，創造一種介于生命體與電子器件之間的新型“活體電子”。

近期，美國密西根州立大學李金星教授團隊提出了一種新型活體生物電子系統——“真菌生物電子”（Mycoelectronics）。研究人員利用 3D 生物打印技術，將活體真菌菌絲網絡直接集成到柔性電極上，構建出能夠感知溫度的活體電子系統。

李金星實驗室研究活體材料和電子的成員，右一為第一作者蔡雨露

值得注意的是，該系統使用的是活的真菌的菌絲體，在實驗中保持活性和生長，無需人工干預，在常溫常濕條件下測試 55 小時時候仍然工作穩定；培養兩個月后，仍保持良好的溫度響應性能。

李金星對 DeepTech 表示：“在常溫且培養基充足的條件下，菌絲一天可以生長幾厘米。這不僅有利于通過生物制造快速形成器件，也使其在受損后具備傳統電子材料難以實現的自我修復能力?！?/p>

研究團隊還揭示了一種此前鮮少被報道的真菌熱響應細胞機制，并展示了該系統在機器人觸覺、早期野火探測，和腦機接口生物電子反射弧等場景中的應用潛力。

相關論文以《真菌電子學：用于人工感知的生物打印活體真菌生物電子系統》（Mycoelectronics: Bioprinted living fungal bioelectronics for artificial sensation）為題發表于美國國家科學院院刊 PNAS。密西根州立大學博士生蔡雨露為第一作者，李金星擔任通訊作者。

圖丨相關論文（來源：PNAS）

為什么偏偏是真菌？既耐受、長得快，還能形成導電網絡

將活體生物與人工材料結合，構建能夠感知、響應甚至自我維持的電子器件，例如類器官，是近年來興起的研究方向。哺乳動物細胞、植物細胞和細菌都曾被用于生物混合器件，但這些體系各有局限。

那么，為什么研究團隊最終選擇了真菌？

以哺乳動物細胞為例，其體外長期培養通常需要嚴格的無菌操作，并對溫度、二氧化碳濃度、培養基等條件進行精確控制，同時還需要定期更換培養液，因此制造和維護成本較高。植物細胞雖然同樣屬于真核生物，但生長速度相對較慢，其生長和形態形成受復雜生理過程調控，難以按照電子器件所需的幾何結構進行精確構建。

細菌雖然生長迅速、培養簡單，但作為單細胞原核生物，通常難以像絲狀真菌那樣形成連續、可設計的三維網絡結構。相比之下，真菌兼具多方面優勢：它屬于真核生物，能夠通過菌絲不斷延伸和分支形成天然的多細胞網絡；菌絲網絡具有良好的結構完整性，并能夠產生和傳遞與外界刺激相關的電生理信號。

同時，真菌生長迅速、環境適應性強，能夠利用木屑、秸稈等農業和林業廢棄物中的纖維素作為營養來源，在適宜的水分和氧氣條件下持續生長和自我修復，為構建低成本、可持續的活體電子系統提供了獨特優勢。

（來源：PNAS，攝影: 蔡雨露）

基于這些特性，研究團隊設計了真菌電子器件的制造流程。首先，研究人員利用激光在聚酰亞胺薄膜上形成石墨烯圖案，再將其轉印到苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯嵌段共聚物（SEBS）彈性體基底上，制成柔軟、可拉伸的電極陣列。隨后，他們將活菌絲與粉碎后的培養基混合，制成具有適合打印流變特性的凝膠狀“微生物電子墨水”，并通過 3D 生物打印機將其直接打印到電極表面。

打印完成后，菌絲會在常溫常壓下繼續生長，并形成復雜的空中菌絲網絡，逐漸跨越電極之間的間隙，建立電學連接。與許多依賴潔凈室和復雜微納加工的電子器件不同，這一制造過程主要依靠生物打印和菌絲自身生長即可完成。

（來源：PNAS）

然而，把活體真菌打印到電極上只是第一步。更關鍵的問題是：菌絲為什么能夠對溫度產生穩定而可重復的電學響應？

研究人員通過透射電子顯微成像觀察了升溫過程中真菌細胞內部的結構變化。他們發現，菌絲細胞中原本分散的多個小液泡會在受熱后融合為一兩個較大的液泡；當溫度降低時，液泡結構又會發生相應變化。與此同時，器件的電阻也隨溫度變化而改變。

李金星解釋道：“可以把細胞液理解為相對導電的部分，而液泡膜相對不導電。多個小液泡融合成大液泡后，更多細胞液被包裹在膜結構內部，可用于電子傳遞的通路隨之減少，因此整體電阻增大。液泡重構與電阻變化之間的聯系，在此前相關研究中很少被系統討論。”

性能測試顯示，這套活體傳感器的溫度與電壓響應之間具有良好的線性關系，相關系數達到 0.98。在連續 300 次熱循環、累計 55 小時的測試中，信號仍保持穩定。器件在被拉伸 25% 后，其阻抗也能夠恢復到接近初始水平。

自我修復是該系統最引人關注的能力之一。研究團隊用刀片切斷已經形成的菌絲網絡，制造出約 1 厘米寬的斷口。兩小時后，切口附近便開始長出新的菌絲連接；七天后，再生網絡的溫度響應與受損前的基線相比幾乎沒有衰減。這里的“修復”并非依靠外部膠黏劑或重新布線，而是由活體菌絲繼續生長并重建連接。

它不僅能夠感知，還會生長、修復和重新組裝

真菌材料還具有資源和制造方面的潛在優勢。其培養基可以部分來源于木屑、農業副產物等生物質廢棄物，制造能耗和原料成本有望低于傳統高溫加工材料；真菌基材料本身也常具有隔熱、隔音和低密度等特征。

李金星表示：“真菌并不是被動的結構材料。它本身具有環境感知和響應能力，一些真菌甚至能夠通過形成環狀菌絲結構捕獲微小生物，甚至感染昆蟲并操控其大腦。菌絲的生長、形態變化和電信號響應，本質上都反映了生命系統處理外界刺激的過程?！?/p>

這種特性使真菌電子器件有望用于傳統傳感器不易長期部署的環境。例如，它可以用于森林火險的早期溫度監測，也可能被整合進土壤或農業設施，用于感知環境變化。“真菌系統能夠自然融入土壤和生物質環境，因此有機會監測一些傳統剛性電子器件難以接近的區域?！崩罱鹦钦f。

（來源：PNAS）

研究團隊還展示了一種有趣的信息編碼方式：利用真菌對熱刺激的自然響應發送摩斯電碼。研究人員通過控制加熱持續時間，將溫度變化轉換為不同節奏的電壓信號，并成功傳輸了英文單詞“SPARTAN”（斯巴達人，密西根州立大學的官方昵稱，體育隊名稱和校園文化象征）。這一實驗說明，活體菌絲不僅可以被動檢測環境，還能夠作為信息輸入與傳遞鏈條的一部分。

與傳統電子器件相比，真菌傳感器還具有較強的環境融合能力。普通傳感器通常有明顯的電路、封裝和外殼，而生長在自然材料表面的菌絲網絡更容易與周圍環境融為一體。李金星表示：“假如把它設置在森林、土壤或建筑材料中，用于監測環境，人們可能很難從外觀上意識到它是一套傳感器。”

這項工作也延續了李金星團隊長期以來的研究方向：開發能夠在生物系統和復雜環境中運行的智能電子系統與微型機器人，并進一步把感知、信息傳遞和干預整合為閉環系統。李金星曾入選 2019 年《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創新 35 人”全球名單。

為了驗證這種閉環思路，研究人員進一步構建了一個可用于腦機接口的生物電子反射弧。他們將真菌溫度傳感器與離體蟑螂腿連接：當真菌受到加熱并輸出電信號時，外部電路將信號轉換為電刺激，驅動蟑螂腿肌肉收縮；溫度下降后，刺激停止，肌肉恢復放松。該實驗在概念上展示了活體傳感器與神經肌肉執行器連接的可能性。

（來源：PNAS）

李金星補充道：“腦機接口和神經假體中也存在類似思路。例如，當脊髓通路受損時，可以嘗試繞過受損部位，把感知信號轉換為控制肌肉的輸出，從而建立新的閉環。我們的真菌器件目前承擔的是類似傳入感知端的角色：先把外界溫度轉換成可讀取的電信號，再交由后續電路處理和執行?！?/p>

（來源：PNAS）

真菌作為真核生物，也具有較強的環境耐受性。與許多需要持續濕潤條件的細菌體系相比，部分真菌能夠在相對干燥或營養有限的環境中進入低代謝狀態，并在條件改善后恢復生長。這使其不僅可以作為獨立傳感器，也有機會被嵌入墻體、保溫層或其他智能建筑材料中，持續感知周圍環境。

近年來，不少研究機構也探索過利用真菌材料作為建筑材料甚至建造太空棲息結構的概念。李金星認為，真菌材料的價值不只在于“替代磚塊”，還在于它能夠通過生長完成制造。在適當的營養和環境條件下，菌絲可以沿預先設計的幾何邊界擴展，并從平面結構逐漸形成三維形態。未來，這種由生物生長驅動的制造方式，可能與建筑、傳感和環境自適應結合。

他表示，這項研究更多源于對生物體系的好奇心，因為真菌本身就是一種非常有意思的生命系統。長期以來，真菌不僅是中醫和現代藥物研發的重要來源，其活性成分也被廣泛研究用于神經退行性疾病和精神疾病等神經醫學領域。

與此同時，真菌還是一種貫穿地球生命演化的古老生命形式。它們構建著龐大的菌絲網絡，在生態系統中循環物質、生物固碳、連接生命，并具有持續生長、自我修復和環境響應等獨特特性，不斷刷新人們對生命系統的認知?；蛟S，未來的電子系統也將從這種古老生命中汲取靈感。接下來，研究團隊計劃可能會在機器人環境感知、腦機接口，以智能建筑材料方面的應用。

《最后生還者》描繪的是菌絲網絡傳播感染的科幻想象，而這項研究嘗試讓菌絲網絡傳播信息。對于機器人、智能建筑和神經接口而言，真菌電子學展示的不只是一種新的傳感材料，也可能預示一種不同于傳統硅基器件的設計范式：未來的電子系統或許不再只是被制造出來，也可以被“種”出來，并在使用過程中繼續生長、適應和修復。

參考資料：

1.https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2530456123

2.https://www.labli.net/

運營/排版：何晨龍

注：封面由 AI 輔助生成