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金門地區第 59屆中小學科學展覽會

作品說明書

科 別：生活與應用科學(一)科

組 別：國中組

作品名稱：心花怒 Fun－植物有感?!

關 鍵 詞： 動作電位、植物電流、植物感應

編 號：

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摘要

本研究證明用手靠近、碰觸植物或以剪刀剪下葉片，及植物周遭環境改變時，如土壤溼

度或亮度改變時，會造成植物體內電壓和 ECG的改變。經由紀錄並分析在不同情況時，植物

體內電壓和 ECG的改變,可以推測植物目前遇到的狀況。

研究發現，透過 Arduino UNO及心率感測器，可以測量在人體靠近或觸摸不同植物部位

和改變周遭環境等方式,探討兩種植物體內因刺激所產生的反應。結果發現在刺激植物與改

變其周遭環境時，植物體內的電壓和 ECG會產生改變。

利用感測器偵測到的微量改變，可以應用於偵測與分析植物對於各項刺激的反應，將看

不到的植物反應轉化為表情符號,藉由 LED矩陣顯示器顯示植物各種不同的反應變化，並能

加上一些聲音的變化，讓我們與植物的互動更為靠近。

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壹、研究動機

老師上課時在班上放了一段花博的新聞，有一位來自法國的藝術家，把植物結合數位科

技，當手碰觸植物葉片時，生物電流轉化成數位訊號，就會發出悅耳的音樂。在七年級的自

然課裡學到動物的神經系統會產生電流傳達訊息，讓肌肉細胞接收到時可以做出動作來反應

刺激。我看完影片後覺得很神奇，植物沒有神經系統，但植物的體內竟然也會有電流。

過去學過的生命現象之一～感應，即生物對於外界刺激所產生的反應。其中植物的反應

可分為兩種，一種為利用膨壓改變來做出較快速的反應，另一種為利用植物激素反應在生長，

如根會表現出向下生長的向地性，而莖則會表現出向上生長的負向地性。

動物的神經系統電流傳導主要是應對環境刺激以產生快速反應，植物體內電流是否也是

類似動物神經系統的機制？如感知並躲避昆蟲啃食，或是移動自己以便能照射到更多的陽光。

和老師討論後，決定從「植物體內的電流變化」來探討「植物的感應」這個議題。

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貳、研究目的

一、探討植物的電位變化是否與防禦機制有關，包含異物靠近、觸碰及受傷等狀況

二、探討生長因子是否會影響植物的電位變化，如濕度改變、光線改變等

三、藉由植物反應的實驗結果，幫植物製作表情以表達植物的情感

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參、研究設備及器材

一、研究設備及器材

名稱 圖片 名稱 圖片

Arduino UNO

R3 *2

三用電表

AD8232 心率

感測器*2

檯燈

YL-69 土壤

溼度感測器

*2

剪刀

8x8 矩陣式顯

示器*2

鋁箔紙

麵包版

鋁箔屋

表一、研究設備及器材

二、實驗植物

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（一）東美人(Pachyphytum pachyphtooides)是一種景天科(Crassulaceae)厚葉草屬

(Pachyphytum)植物。由於耐旱，又適合繁殖，十分適合栽種。東美人的葉片較大,方便觀察，

如下圖一所示。

圖一、東美人

（二）到手香(Plectranthus amboinicus)是一種唇形花科(Labiatae)刺蕊草屬(Pogostemon)

植物，如下圖二所示。

圖二、到手香

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肆、研究過程及方法

一、流程圖

圖三、流程圖

二、文獻探討

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1966年 2月 2日，巴克斯特(Cleve Backster)，在實驗室裡給牛舌蘭澆水的時候，利用

測謊機測量它的電阻變化，在澆水後，曲線的趨勢卻呈現著不斷向下。如果是人類的反應，

可以解釋成這段曲線代表著情緒波動，另一段向上的曲線則代表著情緒恢復，顯示了牛舌蘭

花和人類具有相似的情緒反應。

而近代大量的感知生物學及生物化學都顯示植物擁有許多特殊能力，如植物的向性、覓

食性、 聽覺等等。在 1873 年，由桑德森 (Burdon-Sanderson)透過偵測捕蠅草的葉子而發

現植物的動作電位，動作電位在動物的身上，可以經由神經來傳導訊息和使肌肉收縮做出動

作，他在捕蠅草的葉子上發現的動作電位現象和動物的神經衝動一致。這種現象也出現在一般

常見的植物當中，如蕃茄、玉米、大麥等。

BBC英倫網曾報導過「植物是否和人類一樣有五感?」這個議題，報導中提到當毛蟲啃

食葉片時，會在植物體內觸發一波電活動。之前曾有人提出它和捕蠅草體內的動作電位相同，

也是植物體內的穀氨酸受體發揮的作用。穀氨酸是動物神經系統中的一種神經遞質，它在植

物中有相同的作用，除了一個關鍵的區別：植物沒有神經系統。

2009 年，一德國研究團隊另外發現一種新的植物電訊號，是從植物受傷的部位產生並

系統性地傳播到整株植物，稱之為「系統性電位 (system potential)」。電訊號讓植物可

以快速地傳遞訊息，並使全身或局部對環境的刺激做出反應。科學家也發現電訊號參與了許

多植物的生理反應，如呼吸作用、光合作用等。

1903年，威廉·埃因托芬(Willem Einthoven)發明了弦線式檢流計，與今天黏在皮膚上

的電極不同，其必須在記錄心電圖時把受檢者雙臂和一隻腿泡在盛有鹽水的桶里，以增強導

電性。它的工作原理為在每次心跳時，心肌細胞會引起一個很小的電學改變，這個小變化被

記錄裝置捕捉並放大即可描繪心電圖。在一個心動周期中，由竇房結產生的電流依次在心臟

中傳播，先傳播到整個心房，接著傳送至心室。如果在心臟的任意兩面放置 2個電極，那麼

在這個過程中就可以記錄到兩個電極間微小的電壓變化。

三、實驗前準備

(一)環境

為避免環境中電磁波的干擾，經文獻探討後，發現鋁箔紙能抵擋電磁波，故先以壓

克力板製作屋子模型，再以鋁箔紙包覆。如下圖六所示，並以手機測量在何處的電磁波

影響最低，如下圖七所示。

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圖六、製作鋁箔屋

圖七、測量環境電磁波

環境 電磁波(單位 µT)

教室 47~48

室外 63~64

檯燈下 45~46

延長線旁 180~203

鋁箔屋 35~37

表二、不同環境下電磁波記錄圖

由上表二結果可知，位於鋁箔屋中時，電磁波的干擾最小，故接下來的實驗都在鋁箔屋中進

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行。

(一) 測量植物電壓電流的變化，以挑選合適的測量工具。

1. 將植物放入事先做好的鋁箔屋中，以避免外在環境的電磁干擾與雜訊。

2. 分別用三用電錶測量兩種植物的電壓、電流。

3. 測試結果如下表三所示，雖然從文獻探討中可得知植物體內有電流在傳遞訊息，但可

能是因為植物體內的電流太微小，三用電表無法測量到。電壓部分僅到手香測得

0.002~0.003伏特的微弱電壓，東美人則可能太過微弱無法測得。

東美人 到手香

電壓（單位：V） 0 0.002~0.003

電流（單位:uA） 0 0

表三、電流及電壓變化紀錄表

4. 由於生物的電流是藉由細胞膜內外離子流動產生的電位改變所造成，且以三用電錶測

量電壓電流的結果均過於微弱，因此之後的實驗均改用更精準的 Arduino UNO 和

AD8232心率感測器。AD8232是一款對心臟生物電信號進行信號調理來繪製 ECG的集

成信號調理模塊，可放大及過濾微弱的生物電信號。實驗中的心率感測器和醫療用的

心率感測器規格不同，醫療用的心率感測器匯出 ECG時的橫軸為時間，單位秒(S)。

每小格代表 0.04 秒；縱軸為電壓，單位為毫伏(mV)，每小格表 0.1mV；而本實驗中

的心率感測器在官網和說明書的規格介紹上皆未標示單位，且因感測器上的放大器非

成線形放大，加上其會過濾訊號，故下方的表格和討論皆不標示心率感測器的單位。

四、實驗設計與規劃

一、探討植物的電位變化是否與防禦機制有關，包含異物靠近、觸碰及受傷等狀況

(一) 將手置於離植物不同的距離，觀察植物的反應並挑選合適的測量工具

先於葉片上做記號，接著將植物放進鋁箔屋中，再記錄將手置於離葉片不同的距離

時 10秒內電壓變化的最高和最低值，如下圖八所示。

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圖八、將手置於不同位置示意圖(以東美人為例)

(二) 以手碰觸不同數量的葉片，來觀察植物的反應

將植物放進鋁箔屋中，再紀錄以手碰觸不同數量的葉片時 10秒的內電壓和 ECG變化

的最高和最低值，如下圖九所示。

圖九、碰觸示意圖(以東美人為例)

(三) 以手碰觸植物不同的器官，來觀察植物的反應

將植物放進鋁箔屋中，再紀錄以手碰觸不同器官時 10秒的內電壓和 ECG變化的最高

和最低值，如下圖十所示。

圖十、碰觸示意圖(以東美人為例)

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(四) 以剪刀剪掉不同大小的葉片，來觀察植物的反應

先於葉片上做記號，接著將植物放進鋁箔屋中，再紀錄以剪刀剪掉不同大小的葉片時

10秒的電壓和 ECG 變化的最高和最低值，如下圖十一所示。

圖十一、剪掉葉片示意圖(以東美人為例)

(五)以針輕戳和刺穿植物的葉片，來觀察植物的反應

將植物放進鋁箔屋中，再紀錄以針輕戳和穿刺葉片時 10 秒內的電壓和 ECG變化的最

高和最低值，如下表四所示。

輕戳葉片示意圖(以東美人為例) 穿刺葉片示意圖(以東美人為例)

表四、針輕戳和刺穿植物的葉片

二、探討生長因子是否會影響植物的電位變化，如濕度改變、光線改變等

(一)探討植物對於土壤濕度變化的反應

先三天不幫植物澆水，再將植物放進鋁箔屋中，接著紀錄澆水 10c.c.後靜置十分鐘的 10秒

內電壓和 ECG變化的最高和最低值，如下圖十二所示。

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圖十二、澆水示意圖(以東美人為例)

(二)以檯燈照射植物，來觀察植物的反應

先將植物置於鋁箔屋中，紀錄於黑暗環境內一分鐘內的電壓和 ECG變化情形，接著再紀

錄開燈後一分鐘內的電壓和 ECG變化情形，如下圖十三所示。

圖十三、照射示意圖(以東美人為例)

三、藉由植物反應的實驗結果，幫植物製作表情以表達植物的情感

(一)加上顯示器

1.編寫程式表情

表情 情況 表情 情況

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水分充足

手靠近

笑臉 注意臉

水分不夠

被剪掉葉片

傷心臉 痛臉

照射到陽光

被碰觸

愛心 驚訝臉

表五、設計表情圖

2.編寫 C語言程式碼，觀察偵測植物在不同 ECG的變動範圍，來決定各個表情的出現時間與

顯示時間，參考程式碼如下表六。

表六、程式碼架構

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伍、研究結果與討論

一、探討植物的電位變化是否與防禦機制有關，包含異物靠近、觸碰及受傷等狀況

(一)將手置於離植物不同的距離，觀察植物的反應

1.以 Arduino UNO 和心率感測器測量植物對於手置於不同位置時的反應，如下表七所示。

東美人 到手香

距離(單位 cm) 電壓(單位 V) ECG 電壓(單位 V) ECG

1 0 339~347 2.24~2.25 327~352

1.5 0 340~347 2.12~2.16 330~343

2 0 339~347 2.19~2.21 329~344

2.5 0 341~346 2.11~2.15 327~340

3 0 341~345 2.09~2.11 328~338

表七、電壓和 ECG變化紀錄表

討論: 由實驗結果可知，將手置於離植物不同位置時，植物體內所產生的電壓和 ECG也會不

同，如將手置於離到手香的葉片 1公分處時，ECG變化的高低差為 25；改為離葉片三

公分時，ECG變化的高低差則為 10。

而從電壓探討，將手置於離到手香的葉片 1公分處時，電壓變化的高低差為 0.1；改

為離葉片三公分時，ECG 變化的高低差則為 0.2，顯示植物的 ECG 和電壓值會依照手靠近的

距離遠近而有變化。

(二)以手碰觸不同數量的葉片，來觀察植物的反應

將植物放進鋁箔屋中，再以 Arduino和心率感測器測量並紀錄以手碰觸不同數量的葉片

時 10秒內電壓變化的最高和最低值，如下表八所示。

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東美人 到手香

碰觸葉片數量 電壓(單位 V) ECG 電壓(單位 V) ECG

1 0.04~0.07 327~349 2.21~2.22 0~675

2 0.04~0.06 336~352 2.12~2.15 0~657

3 0.05~0.06 294~419 2.16~2.19 190~657

4 0.04~0.07 298~338 1.99~2.13 0~658

5 0.04~0.06 291~392 2.19~2.2 127~656

表八、電壓和 ECG變化紀錄表

討論:由此實驗可得知，植物在觸碰不同數量的葉片時的反應也會不同。如碰觸 1 片葉片時，

東美人的 ECG變化高低差為 22，電壓高低差為 0.03；碰觸 5片葉片時，ECG變化高低

差為 101，電壓高低差為 0.02。

顯示植物的 ECG和電壓值會依照手碰觸的葉片數量多寡而有變化。

(三)以手碰觸植物不同的器官，來觀察植物的反應

將植物放進鋁箔屋中，再紀錄以手碰觸不同器官時 10秒內電壓變化的最高和最低值。

東美人 到手香

碰觸器官 電壓(單位:V) ECG 電壓(單位:V) ECG

根 0.02~0.03 327~349 2.58~2.59 326~346

莖 0.03 318~380 2.57~2.58 231~428

葉 0.04~0.07 0~677 2.56~2.57 70~657

花 0.02~0.04 32~644

表九、電壓和 ECG變化紀錄表

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因植物體內電流測得結果不太穩定，故將碰觸不同器官時 ECG 的變化情況繪製成如下表

十，紅點為最高點，綠點為最低點。

碰觸器官 東美人 到手香

根

莖

葉

花

表十、植物 ECG變化圖

討論:因為到手香還沒開花所以沒辦法測量關於碰觸花朵時的反應，但從東美人的資料和表

來看，觸摸根部時的 ECG變化高低差為 22，電壓高低差為 0.01，和繪製成圖後顯示震幅最

大的葉片比較，觸摸葉片時的 ECG變化高低差為 677，電壓高低差為 0.03，可以得知植物體

內的 ECG和電壓變化會隨著被觸碰的器官不同而有所變化。

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(四)以剪刀剪掉不同大小的葉片，來觀察植物的反應

先於葉片上做記號，接著將植物放進鋁箔屋中，再紀錄以剪刀剪掉不同大小的葉片時

10秒。

東美人 到手香

剪掉葉片大小 電壓(單位 V) ECG 剪掉葉片大小 電壓(單位 V) ECG

0.11~0.28 81~668

0~1.35 0~472

0.31~0.36 0~666

0~2.51 0~657

0.14~0.54 46~443

0~2.57 0~656

表十一、電壓和 ECG變化紀錄表

因植物體內電流測得結果不太穩定，故將剪掉不同葉片大小時 ECG的變化情況繪製成圖

表十二，圖中紅點為最高點，綠點為最低點，黑線代表剪下葉片的時間點。

剪掉葉

片大小 東美人

剪掉葉片

大小 到手香

小塊 小塊

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中塊 中塊

大塊 大塊

表十二、葉片大小 ECG變化圖

討論:從上表十一和上表十二可得知，在剪掉不同大小的葉片時，植物體內的電壓和 ECG變

化情況也會不同，如在剪掉小塊的葉片時，到手香的 ECG變化高低差為 472，電壓高低

差為 1.35；在剪掉大塊的葉片時，ECG變化高低差為 656，電壓高低差為 2.57。

可以推論植物對於葉片受傷時會有反應，且剪掉不同葉片大小時，植物體內的電壓和 ECG

變化也會不同。

(五)以針輕戳和刺穿植物的葉片，來觀察植物的反應，如下表十三和下表十四所示

東美人 到手香

情況 電壓(單位 V) ECG 電壓(單位 V) ECG

輕戳 2.7 339~355 2.41~2.42 295~366

刺穿 2.7~2.71 149~380 2.42~2.48 0~658

表十三、電壓和 ECG變化紀錄表

將輕戳和刺穿葉片時 ECG的變化情況繪製成表十四，圖中紅點為最高點，綠點為最低點，黑

線代表戳或刺穿葉片的時間點。

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情境 東美人 到手香

輕戳

刺穿

表十四、ECG變化紀錄表

討論:從上表十三可得知，在傷害葉片的力道大小不同時，植物體內的電壓和 ECG變化也

會不同。以東美人為例，在輕戳葉片之後，植物體內的 ECG 變化高低差為 16，電壓

高低差為 0；刺穿葉片之後，ECG變化高低差為 231，電壓高低差為 0.01。

而從表十四波形來看，在穿刺葉片之後振福大於輕戳葉片，可以推測植物對刺穿葉片時

的反應會大於輕戳葉片時的反應。

二、探討生長因子是否會影響植物的電位變化，如濕度改變、光線改變

(一)探討植物對於土壤濕度變化的反應

先三天不幫植物澆水，再將植物放進鋁箔屋中，接著紀錄澆水 10c.c.後靜置十分鐘的 10秒

內電壓和 ECG變化的最高和最低值。

東美人 到手香

情況 電壓(單位 V) ECG 電壓(單位 V) ECG

三天沒澆水 2.7~2.71 341~348 2.35~2.37 361~403

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澆水 10c.c.後 2.61 334~346 2.45~2.46 303~370

表十五、電壓和 ECG變化紀錄表

討論:從上表十五可知，東美人在澆水前後的電壓為 2.7~2.71，電壓差為 0.01；澆水後則降

為 2.61，電壓差為 0。而在澆水前的 ECG差為 7，澆水後則升為 12。

到手香在澆水前的電壓為 2.35~2.37，電壓差為 0.02；澆水後則升為 2.45~2.46，電壓

差為 0.01，而在澆水前的 ECG差為 42，澆水後則升為 67。

兩種植物的反應不同可能是因為不同植物對於水的需求量不同，如東美人為多肉植物，

在種植時不需要太多的水分，到手香在種植時則需要較多的水分，也可能有其他的原因。

(二)以檯燈照射植物，來觀察植物的反應

先將植物置於鋁箔屋中，紀錄於黑暗環境內一分鐘內的電壓和 ECG變化情形，接著再紀

錄開燈後一分鐘內的電壓和 ECG變化情形，如下表十六和下表十七所示。

東美人 到手香

情況 電壓(單位 V) ECG 電壓(單位 V) ECG

關燈 2.62~2.63 140~550 2.52~2.55 60~657

開燈 2.57~2.61 113~563 2.51~2.54 0~659

表十六、電壓和 ECG變化紀錄表

情境 東美人 到手香

關燈

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開燈

表十七、開關燈 ECG變化紀錄表

討論:從上表十六可得知，植物所在環境的光線大小不同時，植物體內的電壓和 ECG變化也

會不同。以東美人為例，在關燈時，植物體內的 ECG 變化高低差為 410，電壓高低差為 0.01；

將檯燈打開之後，ECG 變化高低差升為 450，電壓高低差也升為 0.04。

而從上表十七的波形來看，在開燈時，於波谷到波峰的這段區域，其週期的大小大於關

燈的時候，可推論植物對於環境光線的變化有反應，且有光照射和無光照射時植物體內電壓

和 ECG的變化不同。

三、藉由植物反應的實驗結果，幫植物製作表情以表達植物的情感

情境 植物表情 情境 植物表情

水分充足

手靠近

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水分不夠

被剪掉葉片

照射到陽光

被碰觸

表十八、測試表情顯示

討論:從上表十八可得知，只要將 ECG值範圍定義清楚，LED即能顯示出植物的感知反應。

測試過程中有遇過 ECG降到 0或是訊號不明顯的狀況，經過不斷測試和排除問題，發

現過程中電腦不能充電，土壤太乾及電線接觸不良等因素，均會影響 ECG波形太過雜亂，而

無法觀察數值是否有規律變化，表情顯示就會出現問題。

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陸、結論與應用

以往在製作植物照顧系統時都是使用感測器，來偵測植物附近環境的變化，如偵測土

壤濕度、光照等，本研究的方法是藉由偵測植物體內電壓和 ECG 的變化，當植物因為外在

環境的改變或接收到外界刺激時，能夠藉由植物體內電壓和 ECG 的變化，來推斷植物遇到

的狀況以及外在環境的改變。

另一項成果是將植物的電位變化，轉化成表情符號和聲音顯示，讓我們可以從視覺和

聽覺來感受植物的生命力，透過本研究的實驗，讓我們對植物的喜、怒、哀、樂有重新的

定義與認識，植物真的有感呀!

未來在植物科學與其他領域的相關研究與應用，應該可以朝以下幾個方向發展：

(一)植物栽培的應用：延續本研究中電壓和 ECG改變的狀況比較，可可嘗試藉此即時探知

植物是否遭昆蟲啃食葉片，以作為發展農業之參考依據。

(二)植物接受外界刺激的反應與訊息傳遞：透過各種方式給予植物刺激，並利用本研究爭

的方法探知植物對外界刺激的反應類型。例如：本研究在碰觸兩種植物的葉片時，均可觀

測到植物體內 ECG波形和電壓的改變，將此改變記錄下來並進行分析，據此便可以在偵測

到植物體內電壓異常時，做出更為詳盡的解釋。

(三)跨領域的創新思維與應用：透過本研究的實驗証實，植物體內的電壓和 ECG變化情形

會藉由距離人體不同位置來做出變化，未來透過每種反應之不同變化範圍，可以進一步發

展的應用領域有以下幾種方向：

(1)植物物聯網的應用－如藉由偵測植物體內的電壓和 ECG變化情形，來偵測附近是否有

人經過，以輔助觀察家中監視器的死角，達到保全的目的。

(2)植物照護領域的應用－如藉由偵測植物體內的電壓和 ECG 變化情形，和機電領域結合，

加上顯示器以表達植物的情感。

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柒、參考資料及其他

一、葉綠舒（2018年 10月 19日）•植物有痛覺嗎?•Case報科學•取自

https://case.ntu.edu.tw/blog/?p=32965

二、司特凡諾・曼庫索, 阿歷珊德拉・維歐拉（2016）•植物比你想的更聰明•商周出版

三、喬西·賈巴迪斯（2017年 2月 10日）•植物有哪些你不知道的「神奇能力」

?•BBC中文網•取自

https://www.bbc.com/ukchina/trad/vert-earth-38931490

四、利用渾沌系統偵測植物覺知人體之反應•2017年台灣國際科學展覽優勝作品