可穿戴式植物傳感器

沈臻懿

2023年6月27日至29日，世界經濟論壇第十四屆新領軍者年會（夏季達沃斯論壇）發布的相關報告中，闡釋了未來3年到5年將對全球社會產生重大影響的十大新興技術，這其中就包括了可穿戴式的植物傳感器。

提升全球糧食產量的關鍵技術

據聯合國糧食及農業組織的數據顯示，到2050年，全球人口將新增23億，屆時糧食產量須提升70%才能滿足人口增長的需求。然而，植物病蟲害每年會對全球作物產量帶來20%到40%左右的損失，這直接影響到了世界范圍內的糧食安全問題。

為了提升作物產量，減緩因環境或微生物引發的植物病蟲害問題，對植物生長進行監測很有必要。傳統農業生產中，往往采用外觀觀察和人工土壤檢測等方式對大型農場予以監測。隨著科技的發展，如今又有一項新的技術——可穿戴式植物傳感器，逐步呈現出其在智慧農業方面的巨大潛力。

研究人員專門為可穿戴式植物傳感器設計研發了帶有WiFi無線傳輸功能的柔性印刷電路板

植物的健康生長，離不開光合作用、蒸騰作用和呼吸作用等的維系。研究發現，植物的生長過程，有點近似于人類脈搏的收縮和擴張。這種植物“脈搏”的活動，與植物對水分的吸收和蒸騰密切相關。白天，植物葉片上面的大部分氣孔都會張開，此時蒸騰的水分大于根系吸收的水分，植物的莖干便會發生收縮。到了夜間，當葉片上的氣孔關閉后，吸收的水分大于蒸騰的水分，植物的莖干則會擴張。植物用于運輸水分、養分等物質的載體，稱之為“莖流”，是植物在蒸騰、滲透等內外部作用下，從莖干中所產生的液流。如果能夠對莖流長期實施動態監測并讀懂諸如水養分分配、信號傳導等生理指標，就可以進一步改善植物健康狀況，并提升農業作物生產力。

不過，現有的植物監測傳感器多為侵入式探測，且體積較大。其在檢測時難免會對植物造成物理性損傷，且過大的體積也制約了傳感器在草本植物方面的應用。為了攻克這項難題，融合了智能傳感、柔性材料、微納加工等科技集成的可穿戴式植物傳感器應運而生。

融入植物自然生長的可穿戴式傳感器

研究人員利用微納加工技術研發出的可穿戴式莖流傳感器“薄如蟬翼”，重量僅為0.24克，長度約30毫米，而厚度更只有0.01毫米，由包含銀納米線電極和傳感器的柔性材料所制作而成，能夠如同貼片一般緊緊依附在植物葉片、莖干等表面進行監測。同時，研究人員還考慮到了莖流傳感器可能對植物自然生長所帶來的影響。為此，這一傳感器具有的柔軟、超薄、重量輕且可拉伸的特點，保證了設備的強透光、透水和透氣性，能夠使陽光、水、氧氣和二氧化碳等物質自由穿過傳感器，進而確保傳感器在融入植物自然生長的同時，可對其進行長期監測。借助于這種“薄如蟬翼”的莖流傳感器，研究人員選擇了植物葉片、莖干和果實等數個關鍵點進行部署，以長期監測水分在不同部分的動態分布情況。

我們都知道，水是生命之源。據統計，農業用水占到了全球淡水使用量的70%。可以說，農業生產與水資源可利用率息息相關。借助于這種可穿戴式的莖流傳感器對作物內水分運輸和抗旱性能方面的破解和分析，或許還可以為干旱區域的農業生產、節水灌溉等方面提供一種新的嘗試和思路。

植物生長的背后，都有著自身各項“生理指標”

農業生產中，作物種類極為繁多，是否所有作物都適合于貼片方式的可穿戴傳感器呢？研究人員將探索的目光聚焦在西紅柿上。該作物是食用最為普及的農產品之一，但其容易受到包括真菌、細菌和病毒等諸多病原體的“侵蝕”，進而影響到作物的產量和質量。熟悉西紅柿這一作物的人們應該都清楚，西紅柿莖干表面有著較為致密的腺毛以及精油物質。這就使得貼片方式的可穿戴傳感器很難固定在西紅柿作物表面。面對這一難題，研究人員從植物卷須中找到了創新靈感。自然界中，寄生植物的卷須往往可以纏繞于寄主植物的莖干上，但并不會影響到寄主植物的生長。這種卷須螺旋線的曲率，通常會伴隨植物莖的收縮和膨脹而相應變化。借助該原理，研究人員應用仿生學技術，可將這種卷須結構融入自適應的可穿戴式植物傳感器中。具體而言，這一基于自適應纏繞的可穿戴傳感器，無須任何黏合劑或外在輔助，即可以自適應地方式纏繞在西紅柿莖干之上。卷須結構的神奇之處在于其能夠將直接拉伸所產生的應變效應轉化為曲率效應，還可避免因應變的不足而致使斷裂情形的發生。

無人機、衛星等技術紛紛被引入對大型農場的監測

當自適應纏繞可穿戴傳感器用于植物監測時，植物莖干的收縮或者膨脹變化，均會刺激傳感器的電阻發生相應改變。傳感器在記錄電阻變化數據的同時，即可通過無線傳輸功能將數據發送至監測終端。借助于這些動態生理指標，人們可以對植物“脈搏”進行分析，并實時關注植物的生長和水分等狀態。

就人們在日常生活中常用的可穿戴式傳感器而言，其往往使用藍牙無線通信。不過，無線藍牙功能在面對農場作物的大規模遠程監控時，就顯得捉襟見肘了。鑒此，研究人員也專門為可穿戴式植物傳感器設計研發了帶有WiFi無線傳輸功能的柔性印刷電路板，以實現傳感器和智能終端間的暢通互聯。

植物極易受到來自環境的化學性影響。如果受到空氣中的氮氧化物、臭氧以及過量殺蟲劑等污染體的威脅，植物便會通過向空氣中釋放過氧化氫和揮發性有機化合物做出反應。根據這一特性，研究人員也已研發了可穿戴的植物化學傳感器，用于無損監測植物的揮發性有機化合物排放，進而為植物的健康生長“保駕護航”。

貼片方式的可穿戴傳感器很難固定在西紅柿作物表面

現代智能農業的不斷發展，對作物的精準管理提出了更高的要求。可穿戴式植物傳感器作為一項重要助力，還需要在靈敏度、無損化以及高精度等方面持續深入，以真正實現作物種植、生長監測的智能化、無線化和數字化。

編輯：黃靈? yeshzhwu@foxmail.com