可穿戴式植物传感器

沈臻懿

2023年6月27日至29日，世界经济论坛第十四届新领军者年会（夏季达沃斯论坛）发布的相关报告中，阐释了未来3年到5年将对全球社会产生重大影响的十大新兴技术，这其中就包括了可穿戴式的植物传感器。

提升全球粮食产量的关键技术

据联合国粮食及农业组织的数据显示，到2050年，全球人口将新增23亿，届时粮食产量须提升70%才能满足人口增长的需求。然而，植物病虫害每年会对全球作物产量带来20%到40%左右的损失，这直接影响到了世界范围内的粮食安全问题。

为了提升作物产量，减缓因环境或微生物引发的植物病虫害问题，对植物生长进行监测很有必要。传统农业生产中，往往采用外观观察和人工土壤检测等方式对大型农场予以监测。随着科技的发展，如今又有一项新的技术——可穿戴式植物传感器，逐步呈现出其在智慧农业方面的巨大潜力。

研究人员专门为可穿戴式植物传感器设计研发了带有WiFi无线传输功能的柔性印刷电路板

植物的健康生长，离不开光合作用、蒸腾作用和呼吸作用等的维系。研究发现，植物的生长过程，有点近似于人类脉搏的收缩和扩张。这种植物“脉搏”的活动，与植物对水分的吸收和蒸腾密切相关。白天，植物叶片上面的大部分气孔都会张开，此时蒸腾的水分大于根系吸收的水分，植物的茎干便会发生收缩。到了夜间，当叶片上的气孔关闭后，吸收的水分大于蒸腾的水分，植物的茎干则会扩张。植物用于运输水分、养分等物质的载体，称之为“茎流”，是植物在蒸腾、渗透等内外部作用下，从茎干中所产生的液流。如果能够对茎流长期实施动态监测并读懂诸如水养分分配、信号传导等生理指标，就可以进一步改善植物健康状况，并提升农业作物生产力。

不过，现有的植物监测传感器多为侵入式探测，且体积较大。其在检测时难免会对植物造成物理性损伤，且过大的体积也制约了传感器在草本植物方面的应用。为了攻克这项难题，融合了智能传感、柔性材料、微纳加工等科技集成的可穿戴式植物传感器应运而生。

融入植物自然生长的可穿戴式传感器

研究人员利用微纳加工技术研发出的可穿戴式茎流传感器“薄如蝉翼”，重量仅为0.24克，长度约30毫米，而厚度更只有0.01毫米，由包含银纳米线电极和传感器的柔性材料所制作而成，能够如同贴片一般紧紧依附在植物叶片、茎干等表面进行监测。同时，研究人员还考虑到了茎流传感器可能对植物自然生长所带来的影响。为此，这一传感器具有的柔软、超薄、重量轻且可拉伸的特点，保证了设备的强透光、透水和透气性，能够使阳光、水、氧气和二氧化碳等物质自由穿过传感器，进而确保传感器在融入植物自然生长的同时，可对其进行长期监测。借助于这种“薄如蝉翼”的茎流传感器，研究人员选择了植物叶片、茎干和果实等数个关键点进行部署，以长期监测水分在不同部分的动态分布情况。

我们都知道，水是生命之源。据统计，农业用水占到了全球淡水使用量的70%。可以说，农业生产与水资源可利用率息息相关。借助于这种可穿戴式的茎流传感器对作物内水分运输和抗旱性能方面的破解和分析，或许还可以为干旱区域的农业生产、节水灌溉等方面提供一种新的尝试和思路。

植物生长的背后，都有着自身各项“生理指标”

农业生产中，作物种类极为繁多，是否所有作物都适合于贴片方式的可穿戴传感器呢？研究人员将探索的目光聚焦在西红柿上。该作物是食用最为普及的农产品之一，但其容易受到包括真菌、细菌和病毒等诸多病原体的“侵蚀”，进而影响到作物的产量和质量。熟悉西红柿这一作物的人们应该都清楚，西红柿茎干表面有着较为致密的腺毛以及精油物质。这就使得贴片方式的可穿戴传感器很难固定在西红柿作物表面。面对这一难题，研究人员从植物卷须中找到了创新灵感。自然界中，寄生植物的卷须往往可以缠绕于寄主植物的茎干上，但并不会影响到寄主植物的生长。这种卷须螺旋线的曲率，通常会伴随植物茎的收缩和膨胀而相应变化。借助该原理，研究人员应用仿生学技术，可将这种卷须结构融入自适应的可穿戴式植物传感器中。具体而言，这一基于自适应缠绕的可穿戴传感器，无须任何黏合剂或外在辅助，即可以自适应地方式缠绕在西红柿茎干之上。卷须结构的神奇之处在于其能够将直接拉伸所產生的应变效应转化为曲率效应，还可避免因应变的不足而致使断裂情形的发生。

无人机、卫星等技术纷纷被引入对大型农场的监测

当自适应缠绕可穿戴传感器用于植物监测时，植物茎干的收缩或者膨胀变化，均会刺激传感器的电阻发生相应改变。传感器在记录电阻变化数据的同时，即可通过无线传输功能将数据发送至监测终端。借助于这些动态生理指标，人们可以对植物“脉搏”进行分析，并实时关注植物的生长和水分等状态。

就人们在日常生活中常用的可穿戴式传感器而言，其往往使用蓝牙无线通信。不过，无线蓝牙功能在面对农场作物的大规模远程监控时，就显得捉襟见肘了。鉴此，研究人员也专门为可穿戴式植物传感器设计研发了带有WiFi无线传输功能的柔性印刷电路板，以实现传感器和智能终端间的畅通互联。

植物极易受到来自环境的化学性影响。如果受到空气中的氮氧化物、臭氧以及过量杀虫剂等污染体的威胁，植物便会通过向空气中释放过氧化氢和挥发性有机化合物做出反应。根据这一特性，研究人员也已研发了可穿戴的植物化学传感器，用于无损监测植物的挥发性有机化合物排放，进而为植物的健康生长“保驾护航”。

贴片方式的可穿戴传感器很难固定在西红柿作物表面

现代智能农业的不断发展，对作物的精准管理提出了更高的要求。可穿戴式植物传感器作为一项重要助力，还需要在灵敏度、无损化以及高精度等方面持续深入，以真正实现作物种植、生长监测的智能化、无线化和数字化。

编辑：黄灵  yeshzhwu@foxmail.com