植物传感器植物传感器

发布时间：2024-10-06 12:10:35

植物传感器

联合国粮食及农业组织表示，为了在2050年养活世界人口，全球粮食产量需要增加70%。农业技术创新将是实现这一巨大增长并改善世界粮食安全的关键一步。

传统上，监测大型农场依赖人工土壤测试和外观观察，而无人机和卫星在这方面已经带来了革命性的变化。如今，我们有了新一代的植物传感器。这些可穿戴植物传感器可以改善植物健康状况并提高农业生产力。这些小型、非侵入性的设备可以安装在农作物上，连续监测温度、湿度、湿度和营养水平。来自植物传感器的数据可以优化产量，减少用水、肥料和农药的使用量，并检测疾病的早期迹象。

Growvera和Phytech这两家公司分别开发了微型针状传感器，可以插入植物的叶片或茎部，测量电阻变化。数据通过无线传输到计算机或移动设备，进行分析以获取有关植物健康的建议。

可穿戴植物传感器有望彻底改变农作物生产和管理。通过提供有关植物健康和环境条件的实时数据，这些设备可以帮助农民优化农业生产力，减少浪费，并最小化农业对环境的影响，同时助力养活不断增长的全球人口。

中国农大设计柔性可变形温度传感器，可识别植物01℃的温度变化

近年来，柔性传感器因其可实现实时监测植物生理信号等方面的优势，在智慧农业、智慧医疗中发挥着越来越重要的作用。然而，复杂曲面广泛存在于人体器官和植物体表面，是柔性电子器件结构和功能设计中无法忽视的环境因素。

目前，研究人员通常通过减小器件尺寸的策略，来提高其对复杂曲面的适应能力。但是，小曲率的曲面由于器件最小尺寸的限制，通过以往的策略并不可行。

图丨柔性温度传感器工作示意图（来源：中国农业大学）

基于智慧农业对植物体表温度进行实时、精准监测的需求，中国农业大学团队设计了一种可变形柔性温度传感器，该器件可适应植物体表平面和复杂曲面，并借助传统的平面微纳加工工艺制备而成。其在失稳变形后，可对同尺度曲面进行完美包裹，并同时实现了对植物体表温度的精准在线监测。

图丨相关论文（来源：Advaced Materials Technologies）

近日，相关论文以《设计用于不规则表面微环境温度监测的柔性和可变形植物传感器》（Flexible and Shape-Morphing Plant Sensors Designed for Microenvironment Temperature Monitoring of Irregular Surfaces）为题发表在 Advaced Materials Technologies 上 [1]。

中国农业大学理学院力学系硕士研究生董凯如为该论文第一作者，赵倩副教授为论文通讯作者。

图丨柔性可变形温度传感器的结构示意图（来源：Advaced Materials Technologies）

该团队设计出一种环状旋转对称结构，巧妙地借助该结构的失稳特性，实现了器件对不可展曲面的自然包裹。该结构展现了较高的灵活性与适应性，特别是对于曲率半径与器件几何尺寸相当的复杂曲面，都可实现贴附效果。

经研究人员验证，在维度转换过程中，结构变形产生的应变可控制在 0.1% 以内。与此同时，对于球形果实的生长变形，该结构也体现了较好的适应性。

（来源：Advaced Materials Technologies）

那么，该传感器具体可满足平面和复杂曲面的哪些实际需求呢？

为了验证结构设计的有效性，该团队首先针对常规平面应用场景和特殊的等尺度球面场景，在不同测试温度下的传感性能进行比较。实验证明，集成于球面上的器件传感性能几乎没有损失。

其次，在等尺度球面上进行了更大温度测量范围内的准确度评估。最后，他们验证了集成于果实表面的器件，对被测物体表面动态温度变化的识别能力。

这种新型结构的提出，为基于平面微纳加工工艺制备三维柔性电子器件提供了重要的解决手段，突破了曲面应用场景对器件尺寸的限制，极大拓展了现有平面柔性电子器件的应用空间。

图丨集成于多种果实表面的器件实物图（来源：Advaced Materials Technologies）

另外，考虑该结构的稳定性问题，针对常规的平面应用场景，研究人员还提出了适用于常规平整叶片的温度传感器。该器件使用低等效模量多孔基底结构设计，减小了器件在长期监测的应用中对叶片自由生长的束缚，也在一定程度上提升了器件的延展率。

同时，基底上的孔洞也为叶片进行正常生理活动提供了通道，包括与环境的热量交换以及物质交换（各种挥发性有机物、二氧化碳、氧气等）。

值得关注的是，该器件十分小巧，整体只有 0.35mm 厚、27mg 重。其基底材料为聚二甲基硅氧烷，传感器部分为金薄膜材料，线性度较高。

据介绍，该传感器工作寿命较长，根据相关实验，在集成 20 天后，其可连续 24 小时同时检测微环境温度，而不会因生长导致功能障碍。

值得关注的是，该器件具备较高的灵敏度，可识别 0.1℃ 的温度变化，且对温度变化的响应时间在 10 秒以内。此外，该研究对户外应用场景中器件受风吹扰动而产生的应变噪声，也进行了评估。

图丨 a、柔性叶片温度传感器系统；b、传感器结构示意图（来源：Advaced Materials Technologies）

图丨集成于被测叶片表面的器件实物图（来源：Advaced Materials Technologies）

从功能角度来看，该器件兼顾了生物兼容性和结构设计的科学性，该研究为柔性电子技术在植物生理监测方面中所面临的问题和挑战提出了初步解决策略。

总地来说，实时在线采集的监测数据，对精准获取植物的生长状态、预测生理活动趋势等具有重要的科学意义。

参考资料：

1.Kairu Dong, Yichao Wang, Ruiping Zhang, Zhouheng Wang, Xingwei Zhao, Zheng Chang, Bingwei Lu, Qian Zhao. Flexible and Shape-Morphing Plant Sensors Designed for Microenvironment Temperature Monitoring of Irregular Surfaces. Advaced Materials Technologies (2022). https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.202201204

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