渠純純，孫文秀，李 臻，王喜慶，何志祝

植物柔性傳感器研究進(jìn)展與展望

渠純純1,2,3，孫文秀1,2，李 臻1，王喜慶2，何志祝1※

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083；2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)作物功能基因組學(xué)與分子育種研究中心，北京 100083； 3. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)三亞研究院，三亞 572000）

智慧農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展對(duì)農(nóng)業(yè)傳感器的精確性和生物安全性提出了更高的要求。不同于傳統(tǒng)的剛性傳感器，近年來(lái)新興的植物柔性傳感器因具有出色的力學(xué)特性和良好的生物相容性，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。該綜述首先概述了制備植物柔性傳感器所需的材料及制備工藝，重點(diǎn)闡述了植物柔性傳感器在作物生長(zhǎng)中的監(jiān)測(cè)應(yīng)用，如對(duì)植物電信號(hào)、揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)、水分含量、生長(zhǎng)速率的監(jiān)測(cè)，以及對(duì)植物表面溫度、濕度、照度等小氣候的監(jiān)測(cè)。同時(shí)介紹了柔性電子自供電的發(fā)展現(xiàn)狀。最后，對(duì)植物柔性電子在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)和展望，以期為基于植物柔性傳感器及相應(yīng)傳感網(wǎng)絡(luò)的智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)提供參考。

智慧農(nóng)業(yè)；傳感器；植物表型；植物柔性傳感器

0 引 言

依托大數(shù)據(jù)的通訊技術(shù)、生物技術(shù)、種植技術(shù)以及制造技術(shù)，智慧農(nóng)業(yè)[1-3]、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)[4-6]、休閑農(nóng)業(yè)[7]等新型農(nóng)業(yè)應(yīng)運(yùn)而生，極大地降低了勞動(dòng)力成本，提高了生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益[8-10]。其中，智慧農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)發(fā)展從數(shù)字化到網(wǎng)絡(luò)化再到智能化的高級(jí)階段，已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，同時(shí)也是發(fā)展中國(guó)家消除貧困的重要途徑[11-12]。而傳感技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)中扮演了重要角色，是智慧農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵與核心[13]。

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)傳感器多為剛性硬質(zhì)的[14]，面對(duì)嬌嫩的植物，剛性傳感器的缺點(diǎn)顯而易見(jiàn)[15]。由于無(wú)法發(fā)生形變，剛性傳感器常因不適配而阻礙植物的正常生長(zhǎng)，甚至?xí)?duì)植物造成損傷[16-17]。此外，將剛性的侵入式傳感器應(yīng)用于植物生理健康監(jiān)測(cè)時(shí)，外來(lái)物體的侵入通常會(huì)引發(fā)植物啟動(dòng)額外的自我修復(fù)機(jī)制，極易引起數(shù)據(jù)失真[18]。因此，傳統(tǒng)的剛性傳感器難以滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對(duì)植物生理信息長(zhǎng)期、原位、定點(diǎn)以及連續(xù)的監(jiān)測(cè)需求。

隨著材料科學(xué)的不斷進(jìn)步和傳感技術(shù)的廣泛應(yīng)用，柔性傳感器因其優(yōu)異的柔性、延展性和生物相容性得到廣泛關(guān)注，這也為智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)新的啟示。研究人員嘗試為植物佩戴柔性電子傳感器，以期解決傳統(tǒng)剛性傳感設(shè)備面臨的一系列問(wèn)題。目前已有多種柔性的、多功能的植物柔性傳感器被開(kāi)發(fā)出來(lái)。這些設(shè)備可用于監(jiān)測(cè)植物自身的生理信息，如表型組信息[19-20]、健康狀態(tài)[21-23]、電信號(hào)[24]等；也可以監(jiān)測(cè)小氣候，如溫度、濕度、照度等[19,22,25-27]；甚至有些柔性傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)植物生長(zhǎng)的主動(dòng)控制[28-30]。一些優(yōu)秀的綜述論文也對(duì)柔性傳感器在植物健康監(jiān)測(cè)、土壤環(huán)境檢測(cè)等方面的應(yīng)用進(jìn)行了深入討論[31-33]。植物柔性傳感器出現(xiàn)，為智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了有力的支撐，同時(shí)給農(nóng)業(yè)管理提供了更加真實(shí)、直觀的數(shù)據(jù)反饋，以供即時(shí)做出利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的有效決策。但需要正視的是，一些植物本身所具有的多毛、凹凸不平等特點(diǎn)以及傳感器的回收問(wèn)題，都對(duì)植物柔性電子在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的普適性應(yīng)用及推廣提出了更高要求。此外，植物納米傳感器也逐漸成為智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展中的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容，可應(yīng)用于監(jiān)測(cè)脅迫下產(chǎn)生的植物信號(hào)分子、植物疾病診斷、生物電子的開(kāi)發(fā)等[34-39]。

本文重點(diǎn)圍繞植物柔性傳感器進(jìn)行綜述。首先歸納總結(jié)了植物柔性傳感器的制備材料與工藝，然后分別從植物電信號(hào)、化學(xué)物質(zhì)、水分含量、生長(zhǎng)狀況以及小氣候監(jiān)測(cè)5個(gè)方面詳細(xì)闡述了植物柔性傳感器在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，同時(shí)對(duì)農(nóng)業(yè)柔性電子自供電發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行介紹。最后，對(duì)植物柔性電子在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行展望。

1 植物柔性傳感器的制備

柔性電子設(shè)計(jì)的核心是在保證其功能的前提下實(shí)現(xiàn)彎曲和延展。新型柔性材料和先進(jìn)制備工藝為植物柔性電子的發(fā)展提供了更寬闊的空間。

1.1 制備材料

植物柔性傳感器對(duì)材料在生物兼容性、透光性、透氣性等方面有更高要求。表1歸納對(duì)比了制備植物柔性傳感器所需的關(guān)鍵材料。

1.1.1 襯底材料

襯底的作用是對(duì)功能結(jié)構(gòu)電路進(jìn)行機(jī)械支撐，并提供相應(yīng)的功能。傳統(tǒng)電子器件為保證功能穩(wěn)定性，一般采用剛性基底材料，而柔性器件則恰好相反，要求襯底材料具有拉伸性、彎曲性。

表1 植物柔性傳感器的制備工藝與性能

可拉伸襯底是一種彈性應(yīng)變極限較大的材料，其拉伸度可達(dá)到20%以上。常見(jiàn)的可拉伸襯底材料包括聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane, PDMS）、共聚酯（Eco-flex）、聚氨酯（polyurethane, PU）、氣凝膠以及水凝膠等。其中，PDMS的楊氏模量在1 MPa量級(jí)，最大拉伸率大于300%，除具有良好的疏水性、化學(xué)惰性及生物兼容性外，還具備良好的透光性，是植物柔性傳感器制備中使用較廣泛的一類基底材料。共聚酯具有良好的拉伸性，伸長(zhǎng)率可達(dá)900%，其彈性模量接近人體皮膚，可用于制備具有較大拉伸效果的植物柔性傳感器。利用PDMS和Eco-flex的彈性模量差異，ZHANG等[52]制備了一種可以由二維向三維轉(zhuǎn)化自纏繞式的柔性電極，可用于對(duì)植物莖流的無(wú)損監(jiān)測(cè)。水凝膠是一種可以通過(guò)改變?nèi)S交聯(lián)結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)水分含量和薄膜性質(zhì)的先進(jìn)材料，在軟體機(jī)器人、人造器官、組織修復(fù)等方面有著廣闊的應(yīng)用潛力[53]。水凝膠在由液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，可形成多種形態(tài)的柔性薄膜。因此，利用水凝膠可以制備各種具有生物兼容性的植物電子器件，通過(guò)與生物組織的深度融合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)植物生理信息的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)與主動(dòng)調(diào)控[24]。HSU等[54]使用丙烯酸、還原氧化石墨烯、聚苯胺（polyaniline, PAn）作為反應(yīng)材料，制備一種具有雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的水凝膠。利用水凝膠的可變形特性，該柔性傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)植物生長(zhǎng)和氨氣濃度的監(jiān)測(cè)。

相比于可拉伸材料，可彎曲襯底材料韌性高，厚度小，但拉伸效果相對(duì)較差。聚合物薄膜襯底是目前研究最多的可彎曲柔性襯底，包括聚酰亞胺（polyimide, PI）、聚萘二甲酸乙二醇酯以及聚對(duì)苯二甲酸一二醇酯薄膜。這類襯底模量低，韌性高于金屬襯底，適用于卷對(duì)卷的大規(guī)模制造，缺點(diǎn)是水氧隔絕性差。其中，PI薄膜的玻璃化溫度較高，可適應(yīng)高溫的制備工藝[55]。目前，PI膜在植物傳感器中，特別是在濕度檢測(cè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用[43,56]。

另一類重要的柔性襯底材料是具有特定性能的特殊襯底材料，如可降解特性或主動(dòng)變形特性。其中可降解特性是包括植物電子在內(nèi)的生物電子的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，器件在完成自己的任務(wù)后，在生物體內(nèi)逐漸降解。常用的可降解材料有聚乙烯醇（polyvinyl alcohol, PVA）、聚乳酸（polylactic acid, PLA）、聚己內(nèi)酯（polycaprolactone, PCL）以及絲纖蛋白等[57-58]。有研究在絲基蛋白上制備了包含傳感、驅(qū)動(dòng)等功能的電子器件，該器件在生物液體環(huán)境中完全降解，證明了可降解電子器件的技術(shù)可行性[59]。雖然還未有使用絲基蛋白作為基材制備植物柔性傳感器的研究，但這種可生物降解的材料有望成為未來(lái)植物柔性電子的優(yōu)秀候選者。此外，具有主動(dòng)變形特性的形狀記憶聚合物（shape memory polymer, SMP）襯底也契合植物柔性傳感器的發(fā)展需要。有研究者通過(guò)在形狀記憶高分子網(wǎng)絡(luò)中引入可逆共價(jià)鍵，精準(zhǔn)控制器件的幾何結(jié)構(gòu)形態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)器件幾何結(jié)構(gòu)甚至功能性的可重構(gòu)，如利用SMP作為襯底制備對(duì)神經(jīng)損傷進(jìn)行檢測(cè)的自纏繞生物電極[60]。雖然目前還未有在植物柔性電子應(yīng)用SMP襯底的研究，但可以預(yù)見(jiàn)的是，該智能材料會(huì)為植物柔性傳感器提供更廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。

植物柔性傳感器的襯底材料除具有可彎曲或可拉伸的基本特性外，還應(yīng)結(jié)合實(shí)際場(chǎng)景需求例如葉片傳感器對(duì)透光、透氣性的高要求、植物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)傳感器對(duì)延展性、黏附性的要求、擬南芥等小型作物的傳感器輕量化要求而具備特定性能。不同的柔性襯底具有各自的優(yōu)勢(shì)，因此應(yīng)按需定制和選材。

1.1.2 功能材料

柔性傳感器的性能主要取決于所選擇的功能材料。根據(jù)導(dǎo)電率，功能材料可分為導(dǎo)電材料和半導(dǎo)體材料。

植物柔性傳感器中常用的導(dǎo)體材料包括金屬納米材料、液態(tài)金屬、柔性導(dǎo)電聚合物以及碳基納米材料為代表的新型電路材料。金屬納米材料作為植物柔性傳感器的功能材料時(shí)，通常是被分散于溶液中制備導(dǎo)電墨水，然后使用印刷、涂布等方式轉(zhuǎn)移到柔性基底上[47,61]。液態(tài)金屬是一種常溫下為液態(tài)的金屬。鎵及其合金是柔性電子中最常應(yīng)用的一種液態(tài)金屬，不僅可導(dǎo)電、黏度低，還具有出色的表面張力以及生物安全性[62]。JIANG等以鎵基液態(tài)金屬為功能材料，通過(guò)水合轉(zhuǎn)印成功制作了植物柔性電極，并應(yīng)用植物-機(jī)器交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套安全預(yù)警系統(tǒng)[63]。柔性導(dǎo)電聚合物是指具備導(dǎo)電特性的高分子材料，其優(yōu)勢(shì)在于不僅導(dǎo)電性能優(yōu)異，而且易與襯底材料結(jié)合。常見(jiàn)的導(dǎo)電聚合物如聚苯胺、聚呲咯（polypyrrole, PPy）、聚乙烯二氧噻吩（poly(3,4-ethylenedioxythiophene), PEDOT）等[64]。其中，PEDOT由于高導(dǎo)電性、水分散性、加工方便、柔韌性和穩(wěn)定性優(yōu)良等特點(diǎn)被用做植物柔性傳感器的導(dǎo)電材料。MEDER等應(yīng)用改性后的PEDOT：PSS制備植物柔性電極用于植物電信號(hào)監(jiān)測(cè)[47]。KIM等將摻混Cl-的PEDOT應(yīng)用于植物表面監(jiān)測(cè)植物的紫外輻照損傷[48]。以碳納米管和石墨烯為代表的碳基納米材料，在植物柔性電子材料方面具有重要的應(yīng)用場(chǎng)景。單壁碳納米管和單層石墨烯的電導(dǎo)率非常高，且材料單體彎曲性能優(yōu)異，是很好的柔性電路材料。氧化石墨烯（graphene oxide, GO）由于其獨(dú)特的2D結(jié)構(gòu)和對(duì)水分子的超滲透性，被廣泛用于植物柔性濕度傳感器[65]。此外，應(yīng)用石墨烯可制備出具有高透光率的薄膜，可用于柔性透明電極[66]，進(jìn)一步證明該材料在植物柔性傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

常用于柔性電子器件的半導(dǎo)體材料包括無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料和有機(jī)半導(dǎo)體材料。室溫下的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料多為硬質(zhì)的，拉伸率低，須通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或減薄厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)柔性。有機(jī)半導(dǎo)體材料是具備半導(dǎo)體特性的有機(jī)材料，本身就具有一定的柔性，可通過(guò)濺射、蒸發(fā)、熔漿凝膠、印刷等多種方法制備。在多功能集成式植物柔性傳感器中常用到半導(dǎo)體材料，特別是對(duì)植物小氣候中光照的監(jiān)測(cè)。例如ZHAO等通過(guò)機(jī)械打磨使光晶體管的厚度從200 μm降低至20 μm，實(shí)現(xiàn)了柔性電子器件與植物葉片的緊密貼合，并成功的對(duì)照度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)[40]。

1.1.3 封裝材料

封裝材料為柔性器件的功能穩(wěn)定性和耐磨性提供保障。對(duì)于植物柔性傳感器，封裝材料除了具備柔性、可延展性和強(qiáng)度，對(duì)透光性、透氣性也有所要求。

目前，植物柔性傳感器的封裝材料多數(shù)選擇與基底材料相同的柔性聚合物薄膜，如PI/PDMS/聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）等。在對(duì)水氧不敏感的電路封裝時(shí)，可通過(guò)柔性聚合物賦層對(duì)材料進(jìn)行改性以達(dá)到封裝的目的。例如，為了改善葉片濕度傳感器的基底材料PVA由于自身的親水性引起的測(cè)量誤差問(wèn)題，研究者使用化學(xué)氣相沉積的方法鍍了一層200 nm厚的聚對(duì)二氯甲苯作為封裝層，從而讓PVA表面轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷砻?。改性處理后，該多孔柔性濕度傳感器在相?duì)濕度為25%～98%之間的靈敏度可達(dá)0.34 ΔR/ΔRH%[67]。未來(lái)隨著柔性傳感器在田間實(shí)測(cè)應(yīng)用的普遍開(kāi)展，對(duì)封裝材料的需求也將更加多元化。

1.2 制備工藝

植物柔性傳感器的制備主要包括薄膜制備以及微納圖案制備，制備過(guò)程通常涉及多項(xiàng)工藝。

薄膜制備的技術(shù)主要包括旋涂法、濺射沉積法、蒸發(fā)沉積法、溶膠-凝膠法、化學(xué)氣相沉積法等。旋涂法是制備植物柔性電子薄膜中最常用也是最簡(jiǎn)便的方法[27,42]。濺射沉積法是指在相對(duì)真空環(huán)境中，通過(guò)高能粒子轟擊，使靶材中的原子、分子溢出并沉積形成薄膜的過(guò)程。應(yīng)用濺射沉積法制備導(dǎo)電層是目前植物柔性傳感器常用的加工工藝[27,40]，該方法制備的傳感器導(dǎo)電層材料致密均勻，且與基片的結(jié)合力高。化學(xué)氣相沉積的特點(diǎn)是沉積溫度低，薄膜成分易控且均勻性非常好。目前已經(jīng)有許多研究應(yīng)用化學(xué)氣相沉積法在植物表面制備“電子紋身”，從而對(duì)植物生理信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)[49,68-69]。

微納圖案的制備是柔性電子器件制備過(guò)程中非常重要的環(huán)節(jié)。微納圖案的制備包括光刻、印刷、打印以及卷對(duì)卷圖案的制備等。光刻技術(shù)是實(shí)現(xiàn)集成電路的核心工藝之一。由于具有高分辨率，在植物傳感器的制備中使用光刻技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高精度復(fù)雜微結(jié)構(gòu)，使傳感器具備更高的精度和性能。微納圖案的制備所用到的印刷工藝包括軟刻蝕、納米壓印、絲網(wǎng)印刷技術(shù)。其中，絲網(wǎng)印刷技術(shù)原理簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，適用于大面積印刷，并且可使用各種油墨直接印刷在曲面襯底上。因此，絲網(wǎng)印刷技術(shù)在植物柔性傳感器的微納圖案制備中得到了廣泛應(yīng)用[41, 47]。需要指出的是，絲網(wǎng)印刷所制備微納圖案精度僅有幾十微米，遠(yuǎn)不及光刻技術(shù)。卷對(duì)卷制造技術(shù)，具備大尺度、產(chǎn)量高、成本低的特點(diǎn)，適合于植物柔性電子大規(guī)模的生產(chǎn)制造，該技術(shù)有益于推進(jìn)植物柔性電子網(wǎng)絡(luò)的布局以及應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。

2 植物柔性傳感器的應(yīng)用

隨著新型功能性材料的發(fā)展，柔性電子器件柔性、可拉伸逐步向超薄、超輕、高透明、高靈敏、無(wú)線傳輸、自黏附、環(huán)境友好的方向發(fā)展[70-73]。柔性電子所具有的接觸舒適、生物相容性優(yōu)越、長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)無(wú)副作用、測(cè)量準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)使其在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

2.1 植物電信號(hào)監(jiān)測(cè)

除激素調(diào)節(jié)外，植物電信號(hào)通路被認(rèn)為是植物體內(nèi)另一條重要的信號(hào)傳導(dǎo)途徑[25,74]。特別是當(dāng)植物對(duì)外界刺激作出反應(yīng)時(shí)，膜電位會(huì)迅速變化[75]。因此，電信號(hào)的變化可以反映一定植物的生理信息。

目前，監(jiān)測(cè)植物電信號(hào)的方法通常是將電極微創(chuàng)式插入植物組織中進(jìn)行操作。通過(guò)監(jiān)測(cè)植物電信號(hào)的變化，還可以獲取植物汁液內(nèi)溶質(zhì)含量的變化[76]。DIACCI等[77]利用微創(chuàng)有機(jī)電化學(xué)晶體管（organic electrochemical transistor, OECT）傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)植株莖內(nèi)韌皮部葡萄糖含量的監(jiān)測(cè)（見(jiàn)圖1a）。這種微創(chuàng)傳感器的優(yōu)勢(shì)在于可以準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)植物體內(nèi)代謝物的實(shí)時(shí)變化濃度，且傷口產(chǎn)生的生理反應(yīng)很小，不足以對(duì)體內(nèi)整體代謝物濃度造成影響。CHURCH等[78]報(bào)道了一種固體接觸式微離子選擇電極，通過(guò)監(jiān)測(cè)電信號(hào)變化，成功探究了柑橘葉片和根部鋅離子轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程。需要指出的是，這類侵入式檢測(cè)造成的傷口在愈合過(guò)程中仍可能影響植物傳感器長(zhǎng)期測(cè)量的可靠性。

圖1 柔性電子感知電信號(hào)的應(yīng)用示例

貼附式植物柔性傳感器在捕捉植物生理信號(hào)變化的同時(shí)可有效避免創(chuàng)口帶來(lái)的數(shù)據(jù)失真問(wèn)題。植物雖然不具有動(dòng)物的神經(jīng)細(xì)胞和突觸等結(jié)構(gòu)，但其細(xì)胞之間具有大量的胞間連絲，可供細(xì)胞進(jìn)行物質(zhì)交換和信息傳遞[79]。當(dāng)植物受到外界刺激時(shí)，膜動(dòng)作電位改變使植物快速應(yīng)對(duì)刺激。LUO等就制備了一種基于熱凝膠的非侵入性可變形離子電極[24]。利用熱凝膠的發(fā)生的液固形變，將其緊密黏附在多毛植物的表面，并成功檢測(cè)到了植物在受到非生物脅迫如火燒、機(jī)械損傷時(shí)產(chǎn)生的電信號(hào)波動(dòng)。該研究為柔性電子與表面粗糙且多毛植物的界面結(jié)合問(wèn)題提出了新的解決方案，同時(shí)為全面了解、破譯植物電信號(hào)所蘊(yùn)含的生理學(xué)信息提供了有力的研究工具。MEDER等[47]報(bào)道了一種植物柔性自粘電極，并成功地追蹤了捕蠅草植物發(fā)生的電信號(hào)變化（見(jiàn)圖1b）。由于該電極是柔性且超薄的，因此僅依靠范德華力便可粘附在不同植物表面。相比于凝膠電極，超薄柔性電極的自粘性避免了為增加電極粘附性與導(dǎo)電性而使用高濃度離子導(dǎo)電凝膠對(duì)植物帶來(lái)的損傷。

2.2 化學(xué)物質(zhì)監(jiān)測(cè)

許多植物不僅擁有美麗鮮艷的外表，還可以通過(guò)釋放不同“味道”的揮發(fā)性有機(jī)化合物（volatile organic compounds，VOC）來(lái)與外界環(huán)境進(jìn)行信息交流甚至躲避天敵[80-81]。根據(jù)這一特性，植物柔性傳感器可以通過(guò)捕獲VOC的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)植物生理狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控以及疾病預(yù)防[21]。

LI等通過(guò)監(jiān)測(cè)葉片的揮發(fā)物成功診斷出植物疾病[23]，將基于紙張的色度傳感器陣列與手機(jī)集成在一起，構(gòu)成一個(gè)可在1 min內(nèi)監(jiān)測(cè)10種植物常見(jiàn)揮發(fā)物的手持設(shè)備，可準(zhǔn)確識(shí)別早期的番茄晚疫病?；谠撗芯砍晒?，該團(tuán)隊(duì)又開(kāi)發(fā)了一種可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)植物VOC的柔性傳感器[22]。此傳感器可辨識(shí)出13種不同植物VOC，用于監(jiān)測(cè)植物的健康狀況及受脅迫狀況，精度高達(dá)97%以上，證明了植物柔性傳感設(shè)備具有充分的可靠性。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，為了提高作物產(chǎn)量及預(yù)防病蟲(chóng)害會(huì)給植物施用化肥、農(nóng)藥等化學(xué)試劑。因此，為保證農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全，對(duì)農(nóng)化殘留的檢測(cè)便顯得十分重要。MISHRA等[82]報(bào)道了一種集成在手套上可快速監(jiān)測(cè)作物表面有機(jī)磷（OP）神經(jīng)毒劑化合物的柔性傳感器。這種便捷式的檢測(cè)手段為柔性傳感器的應(yīng)用和產(chǎn)品的快速檢測(cè)開(kāi)辟了一個(gè)新的發(fā)展方向。未來(lái)這種方法可推廣至農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化學(xué)組分的長(zhǎng)期檢測(cè)。ZHAO等[51]利用電化學(xué)分析法制備了一種可實(shí)現(xiàn)作物農(nóng)藥殘留檢測(cè)的柔性傳感器，并可將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至手機(jī)。相比于傳統(tǒng)的藥殘檢測(cè)方法，這項(xiàng)工作采用的電化學(xué)實(shí)時(shí)在線分析的方法避免了樣品前處理所需耗費(fèi)的大量的人力物力，實(shí)現(xiàn)了快速檢測(cè)的需求[83]。但需要指出的是，在未來(lái)的研究中仍需探索更穩(wěn)定的識(shí)別元素，以滿足對(duì)植物生長(zhǎng)期的長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。柔性傳感器為農(nóng)殘藥殘的檢測(cè)提供了更便捷有效的檢測(cè)手段，也為未來(lái)農(nóng)業(yè)的下一代植物傳感器的設(shè)計(jì)提供了新的見(jiàn)解。

除此之外，有些植物果實(shí)在成熟之前會(huì)催生活性氧等有毒物質(zhì)，這是植物為確保自身繁衍順利而演化出來(lái)的一種自我保護(hù)機(jī)制。YAO等[84]通過(guò)使用貴金屬合金納米顆粒（AuPtNPs）修飾二硫化鉬（MoS2）紙張，制備了一種可監(jiān)測(cè)活性氧的紙基電化學(xué)傳感器。通過(guò)對(duì)植物體內(nèi)活性氧的監(jiān)測(cè)，可以有效判斷植物體內(nèi)氧代謝水平的異常狀況。除此之外，植物在受傷時(shí)也會(huì)釋放過(guò)量的活性氧如H2O2，通過(guò)監(jiān)測(cè)其含量，可以有效反應(yīng)植物受損情況。根據(jù)這一原理，LEW等設(shè)計(jì)了一種新型植物納米傳感器[85]，實(shí)現(xiàn)了植物中H2O2信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。利用該納米傳感器獲得的化學(xué)信息，可解釋物種間信號(hào)波速度的差異，從而能夠?qū)σ郧盁o(wú)法通過(guò)轉(zhuǎn)基因方法獲得的作物進(jìn)行生理學(xué)研究。

利用植物柔性傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)植物化學(xué)物質(zhì)，包括揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)、農(nóng)藥殘留以及植物自身產(chǎn)生的活性氧等，相比于傳統(tǒng)的在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)應(yīng)用大型儀器檢測(cè)方法，無(wú)論在監(jiān)測(cè)效率、監(jiān)測(cè)精度還是檢測(cè)指標(biāo)等方面都有其相應(yīng)的優(yōu)勢(shì)。

2.3 植物水分含量監(jiān)測(cè)

植物中水的質(zhì)量占比約為80%～90%[86]。因此，精準(zhǔn)掌控植物中的水分狀態(tài)對(duì)農(nóng)業(yè)管理至關(guān)重要。植物柔性傳感器可以通過(guò)收集植物水分含量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，預(yù)警干旱脅迫從而提高植物的抗逆能力。同時(shí)又能為精確灌溉提供數(shù)據(jù)支撐，促進(jìn)節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展[87]。

正蒸汽壓差（vapour pressure dificit，VPD）是指在一定溫度下，飽和水汽壓與實(shí)際水汽壓之間的差值[88]。VPD一定程度上代表了空氣的干燥程度，可作為限制植物生長(zhǎng)的影響因子之一。當(dāng)VPD過(guò)低時(shí)，一旦水分子飽和，便會(huì)在植物體上產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象，很容易使葉子腐爛；而當(dāng)VPD過(guò)高時(shí)，水汽壓差過(guò)大會(huì)使植物大量失水，嚴(yán)重時(shí)整株干枯死亡。此外，植物的VPD還可以間接反映植物氣孔的開(kāi)合情況，從而進(jìn)一步判斷植物的水分利用率[89]。VURRO等[90]設(shè)計(jì)了一種基于有機(jī)電化學(xué)晶體管的侵入式傳感器在植物體內(nèi)監(jiān)測(cè)VPD的方法，建立起兩電極間測(cè)量的電阻值與VPD之間的規(guī)律性關(guān)系。結(jié)果表明，當(dāng)高濕度、低VPD時(shí)，電阻呈正增長(zhǎng)趨勢(shì)，當(dāng)?shù)蜐穸?、高VPD時(shí)，電阻響應(yīng)變小，因此可通過(guò)電阻變化調(diào)節(jié)VPD來(lái)增強(qiáng)農(nóng)業(yè)用水效率。

此外，非侵入式傳感器也可以通過(guò)監(jiān)測(cè)植物表面濕度變化對(duì)VPD進(jìn)行估算。已有大量研究通過(guò)監(jiān)測(cè)植物表面相對(duì)濕度（relative humidity，RH），揭示RH與氣孔狀態(tài)、蒸騰強(qiáng)弱、水分移動(dòng)的變化規(guī)律。ATHERTON等[91]首先將柔性傳感器用于葉片水分含量的監(jiān)測(cè)，通過(guò)測(cè)量2個(gè)薄膜熱電偶之間的溫差與葉片相對(duì)含水率建立關(guān)系。但該傳感器作為初代植物柔性電子，還未完全達(dá)到柔性，仍需要外力輔助使傳感器固定在葉片表面。

IM等[56]使用具有單面粘附性的柔性PET將傳感器粘附在葉片上，從而實(shí)現(xiàn)了傳感器完全的柔性化。同時(shí)集成了數(shù)據(jù)處理電路和低耗能藍(lán)牙模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)智能農(nóng)場(chǎng)中植物干旱脅迫的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。測(cè)試結(jié)果顯示，當(dāng)相對(duì)濕度從55%增加到90%時(shí)，電容值從2.72 pF提升到206 pF，提高了2個(gè)數(shù)量級(jí)，這說(shuō)明該傳感器對(duì)于濕度變化具有較好的靈敏性。但需要指出的是，PET膠帶的使用使水蒸氣容易在傳感器與葉表面之間聚集，從而對(duì)傳感器的穩(wěn)定性產(chǎn)生了一定的影響。針對(duì)蒸汽聚集的問(wèn)題，JEONG等[67]利用生物相容性材料PVA通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制作了一種可透氣透汗的多孔薄膜，有效的解決了蒸汽聚集的問(wèn)題，成功監(jiān)測(cè)出綠蘿葉片表面的濕度情況。

正如前文介紹，石墨烯等碳基材料因其出色的水分敏感性、高電導(dǎo)率被廣泛應(yīng)用濕度監(jiān)測(cè)，因此一些以石墨烯材料為感應(yīng)元件的植物水分傳感器也應(yīng)運(yùn)而生。OREN等[45]提出的一種卷對(duì)卷快速生產(chǎn)工藝，實(shí)現(xiàn)了穿戴式石墨烯基傳感器的大面積制備，該研究為此類傳感器在植物水分監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用打下了研究基礎(chǔ)。OREN等[43]利用石墨烯及氧化石墨烯監(jiān)測(cè)葉片相對(duì)濕度，揭示了植物體內(nèi)的水分輸送方向。在此基礎(chǔ)上，YIN等[92]展示了一種多參數(shù)柔性植物傳感器，可以監(jiān)測(cè)植物表面相對(duì)濕度、溫度和蒸汽壓差等物理參數(shù)。利用傳感器探究玉米在不同光強(qiáng)和施肥量下的蒸騰作用差異，可用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水指導(dǎo)。LAN等[44]利用激光直寫(xiě)技術(shù)，在PI膜上誘導(dǎo)生成石墨烯叉指電極結(jié)構(gòu)，用于非接觸式濕度傳感和植物的呼吸監(jiān)測(cè)等。

需要指出的是，由于氧化石墨烯材料自身的電導(dǎo)率相對(duì)較低，導(dǎo)致這類濕度傳感器的功耗也較高[93]。對(duì)于應(yīng)用場(chǎng)景為無(wú)充足供電裝置的田間農(nóng)場(chǎng)來(lái)說(shuō)，能量供給更將成為一大挑戰(zhàn)。因此，在未來(lái)的研究中，需重點(diǎn)關(guān)注提高氧化石墨烯電導(dǎo)率以及滿足能量供給的問(wèn)題。此外，石墨烯基傳感器的制作工藝相對(duì)復(fù)雜，對(duì)工作環(huán)境和技術(shù)操作都有較高要求，這對(duì)其廣泛應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)也是一個(gè)挑戰(zhàn)和需要突破的壁壘。

CHAI等[42]制作了一種超輕薄的植物柔性傳感器。該傳感器具有良好的透氣性、透光性和生物安全性，可用于長(zhǎng)期、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)植物的莖流量。此外，受纏繞植物卷須的啟發(fā)，ZHANG等開(kāi)發(fā)了一種基于自適應(yīng)纏繞應(yīng)變傳感器的集成植物柔性系統(tǒng)，同樣可用于監(jiān)測(cè)莖流[52]。這種三維柔性傳感器可以纏繞在番茄莖上，并表現(xiàn)出良好的耐溫度干擾性?；谔烊恢参锓律Y(jié)構(gòu)的三維植物柔性傳感器的成功制備，給植物柔性傳感器的設(shè)計(jì)提供了新的靈感和啟發(fā)。未來(lái)基于植物仿生結(jié)構(gòu)的植物柔性傳感器也將得到廣泛的關(guān)注與應(yīng)用。

植物柔性濕度傳感器的成功制作給植物水分監(jiān)測(cè)又提供了一類有效的工具，同時(shí)證明了柔性設(shè)備在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用潛力。相比于傳統(tǒng)水分在線測(cè)量技術(shù)如熱監(jiān)測(cè)及太赫茲成像法等，植物柔性傳感器不易受到外界環(huán)境如光照、溫度等的干擾，且制備成本相比于大型儀器低很多[94-95]。這些優(yōu)勢(shì)為植物柔性傳感器在濕度檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用及推廣奠定了基礎(chǔ)。然而，目前所制備的植物柔性傳感器只能用于大多數(shù)草本植物，還不能用于樹(shù)皮較厚的大樹(shù)，這在一定程度上限制了該傳感器的應(yīng)用范圍。

2.4 植物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)

近年來(lái)，傳感器逐漸由單項(xiàng)監(jiān)測(cè)向多元化方向發(fā)展，以具備更強(qiáng)度的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。植物領(lǐng)域也出現(xiàn)了多功能的集成傳感器，用于監(jiān)測(cè)植物的生長(zhǎng)、溫度、濕度、光照等參數(shù)。

在現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)植物的生長(zhǎng)狀態(tài)如冠高[25]、葉長(zhǎng)[88]、果實(shí)生長(zhǎng)速度，對(duì)于提高作物產(chǎn)量具有重要意義[96]。然而，植物生長(zhǎng)不是一成不變的，而是一個(gè)高度動(dòng)態(tài)的過(guò)程[97]。因此，選擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)量工具是非常必要的。目前已有一些測(cè)量植物生長(zhǎng)的方法，如圖像處理和三維網(wǎng)格分析[98]。然而，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備不能完全附著在農(nóng)作物和果實(shí)的表面上[99]，隨著農(nóng)作物的生長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)不兼容甚至脫落，使得進(jìn)行有效的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)成為挑戰(zhàn)。柔性傳感技術(shù)的出現(xiàn)有效地解決了這個(gè)問(wèn)題。

TANG等[19]報(bào)道了一種測(cè)量植物生長(zhǎng)的應(yīng)變傳感器快速制備方法。將殼聚糖與石墨粉混合制成墨水，用毛筆直接書(shū)寫(xiě)在被測(cè)物體表面，通過(guò)測(cè)量拉伸引起的電阻變化監(jiān)測(cè)植物生長(zhǎng)狀況。TANG等[20]制備了一種可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)植物生長(zhǎng)的柔性應(yīng)變傳感器，可以監(jiān)測(cè)果實(shí)從納米級(jí)到厘米級(jí)的生長(zhǎng)狀況。利用自制的碳基柔性傳感器和讀出電路，通過(guò)對(duì)瓜茄類果實(shí)生長(zhǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，揭示了其有節(jié)律性的生長(zhǎng)模式。DAS等[100]報(bào)道了一種低成本監(jiān)測(cè)園藝作物徑向生長(zhǎng)速率的傳感裝置，通過(guò)環(huán)形紙鎖的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將柔性紙帶包裹住待測(cè)物，可實(shí)現(xiàn)圓形作物（如圓形茄子）或植物莖的生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)。但該設(shè)備體積和質(zhì)量較大，不適合監(jiān)測(cè)柔軟果實(shí)和非圓形作物的生長(zhǎng)。

上述植物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)傳感器雖然可以檢測(cè)到植物生長(zhǎng)變化，但受到材料自身的限制，對(duì)植物生長(zhǎng)檢查范圍有限。針對(duì)這一問(wèn)題，HSU等應(yīng)用水凝膠材料制備的植物柔性傳感器給出了解決方案。通過(guò)應(yīng)用水凝膠材料的定制化形狀，傳感器的拉伸應(yīng)變范圍最高可達(dá)200%[54]。

雖然已有多種植物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)傳感器被研制出來(lái)，并初步發(fā)現(xiàn)了有關(guān)果實(shí)生長(zhǎng)的節(jié)律，但這些傳感器所測(cè)量的參數(shù)，仍停留在物理測(cè)量的階段，對(duì)于測(cè)量區(qū)域較模糊，不能精準(zhǔn)的判斷出具體是哪一部分的組織發(fā)生快速生長(zhǎng)[27,101]。在未來(lái)的研究中，測(cè)量植物生長(zhǎng)傳感器可以引入陣列式感知元件，從而精準(zhǔn)把控植物的生長(zhǎng)狀態(tài)。

2.5 小氣候監(jiān)測(cè)

來(lái)自外部環(huán)境的波動(dòng)，如土壤條件、氣候變化和生長(zhǎng)溫度，都會(huì)對(duì)作物的生長(zhǎng)和生理過(guò)程產(chǎn)生影響[26]。通過(guò)了解植物和其微環(huán)境之間的相互作用，可以更有效地保證植物的健康從而提高作物產(chǎn)量。多功能植物小氣候監(jiān)測(cè)傳感器的出現(xiàn)滿足了這一需求。傳統(tǒng)的小氣候監(jiān)測(cè)方法包括光譜學(xué)[102]，機(jī)器視覺(jué)[103]，空中飛行器[104]、日常拍攝生長(zhǎng)[105]等。由于與目標(biāo)的距離不確定，傳統(tǒng)設(shè)備對(duì)植物周圍微環(huán)境變化的反應(yīng)有一定的滯后性。相比之下，植物柔性多功能傳感器緊貼在植物表面，可以感知目標(biāo)的小氣候變化，從而避免了延遲的影響。

ZHAO等[40]報(bào)道了一種超輕、超薄、可拉伸植物傳感器，可以同時(shí)對(duì)光照、溫度、濕度、植物體生長(zhǎng)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，有助于了解植物在不同環(huán)境下的生長(zhǎng)狀況（見(jiàn)圖2a）。傳感器采用蛇形結(jié)構(gòu)的島橋設(shè)計(jì)來(lái)優(yōu)化應(yīng)力分布，并使用超薄彈性基底PDMS減小對(duì)傳感器的拉伸約束。在溫度檢測(cè)方面，該傳感器可達(dá)到0.2 ℃的溫度分辨率；在監(jiān)測(cè)植物生長(zhǎng)時(shí)，該傳感器在垂直地面方向可監(jiān)測(cè)到15.5%的葉片伸長(zhǎng)量，且多功能同時(shí)運(yùn)作的情況下，傳感器信噪比低于3%。需要指出的是，該傳感器的整體制作過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，需要利用多次磁控濺射、氧等離子體刻蝕的方法完成多功能的實(shí)現(xiàn)。

LU等[41]提出可監(jiān)測(cè)光照、溫度、濕度的多模態(tài)柔性傳感系統(tǒng)，在植物上可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)15 d的連續(xù)監(jiān)測(cè)，用于指導(dǎo)植物的蒸騰作用和氣孔開(kāi)合狀態(tài)（見(jiàn)圖2b）。該傳感系統(tǒng)由2個(gè)濕度傳感器、1個(gè)溫度傳感器、1個(gè)光照傳感器組成，這些傳感器集成在厚度為50 μm的柔性PI薄膜上，用絲網(wǎng)印刷銀漿和激光誘導(dǎo)石墨烯作為互聯(lián)電極。為了區(qū)分光照與濕度的感知，在光照傳感器上覆蓋一層PET膜，以隔絕水分干擾。光照、濕度傳感器的電極設(shè)計(jì)為平面叉指結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)濕度傳感范圍高達(dá)90%的監(jiān)測(cè)，并在高頻下實(shí)現(xiàn)光響應(yīng)在4 ms內(nèi)的高靈敏監(jiān)測(cè)。類似地，LO等[106]也提出了一種基于光纖布拉格光柵技術(shù)的多功能植物柔性傳感器，可用于監(jiān)測(cè)植物生長(zhǎng)和小氣候變化（溫度、濕度）。但該設(shè)備在與植物表面適形接觸方面仍有較大的改進(jìn)空間。

圖2 柔性電子對(duì)作物生長(zhǎng)和微環(huán)境的監(jiān)測(cè)示例

多功能植物柔性傳感器可以同時(shí)滿足對(duì)植物生長(zhǎng)微環(huán)境的多樣化監(jiān)測(cè)，為農(nóng)業(yè)管理者綜合評(píng)判作物生長(zhǎng)狀態(tài)提供了更精確、更有參考價(jià)值的評(píng)判依據(jù)。但受制于制備材料和工藝的限制，傳感器的體積和質(zhì)量都有所增加，甚至給植物帶來(lái)一定的負(fù)擔(dān)。在未來(lái)的發(fā)展中，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)多功能柔性電子的輕量化、微型化是一個(gè)重要的發(fā)展方向。

3 柔性電子自供電發(fā)展現(xiàn)狀

隨著柔性電子器件的發(fā)展，能源供應(yīng)問(wèn)題已成為限制其廣泛應(yīng)用的主要因素[51]。目前的農(nóng)業(yè)傳感器被設(shè)計(jì)用于不同的生態(tài)環(huán)境，如農(nóng)田、林場(chǎng)和牧場(chǎng)。依靠傳統(tǒng)的供能系統(tǒng)為傳感器供電，成本高且工程量大。微型電池可以提供一定的電源，但這種電池不能提供長(zhǎng)期的能源供應(yīng)，而且容易泄漏污染環(huán)境。因此，農(nóng)業(yè)柔性傳感器亟需一種可以在各種戶外環(huán)境中使用的電源設(shè)備。新興的摩擦納米發(fā)電機(jī)有望替代傳統(tǒng)供能系統(tǒng)[82,107]，解決植物柔性傳感器的供電問(wèn)題。

根據(jù)納米摩擦發(fā)電原理，LU等將納米摩擦發(fā)電機(jī)（triboelectric nanogenerators，TENG）和電磁發(fā)電機(jī)耦合，設(shè)計(jì)了一種具擺動(dòng)結(jié)構(gòu)的混合納米發(fā)電機(jī)[108]。該設(shè)備可收集低頻微風(fēng)風(fēng)能，在農(nóng)業(yè)傳感器自供電和森林火災(zāi)報(bào)警等方面有廣闊的應(yīng)用前景。MEDER等[47]報(bào)道了一種通過(guò)收集植物動(dòng)能和戶外風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電的仿生混合發(fā)電機(jī)。通過(guò)對(duì)植物葉片擺動(dòng)的觀察和研究，利用仿生學(xué)設(shè)計(jì)了一款人造葉片，固定在植物體上可以增加振蕩和瞬時(shí)機(jī)械接觸，從而增強(qiáng)電力的轉(zhuǎn)換和輸出，即使在風(fēng)速為1.9 m/s時(shí)也可實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)光二極管和溫度傳感器的自主供電。但該發(fā)電系統(tǒng)也存在一些不足之處：植物葉片作為下電極，人造葉片為上電極的雙電極摩擦發(fā)電機(jī)雖然可以提高功率的輸出，但需要額外插入莖中的組織電極來(lái)收集植物產(chǎn)生的電能，這會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生不可逆的損傷。

面對(duì)由于剛性和侵入性給植物帶來(lái)的一系列問(wèn)題，柔性設(shè)備為供能系統(tǒng)提供了解決方案。LAN等[109]設(shè)計(jì)了一種“三明治”結(jié)構(gòu)的可拉伸摩擦納米發(fā)電機(jī)，上下層由PDMS提供防水保護(hù)，中間層由銀納米線和MoS2納米片復(fù)合而成，整體呈現(xiàn)優(yōu)異的柔韌性和導(dǎo)電性，有效的解決了植物與供電器件之間的力學(xué)失配問(wèn)題。JIANG[110]等首次將TENG技術(shù)集成到農(nóng)用紡織品中，形成了有效接觸長(zhǎng)度為3 cm的摩擦電紗，將雨滴能量轉(zhuǎn)換為電能（可產(chǎn)7.7 V電壓）。其強(qiáng)有力的疏水性在供能的同時(shí)還可為感知器件提供設(shè)施保護(hù)。

除了具有出色的柔性外，納米摩擦發(fā)電機(jī)通過(guò)與靜電紡絲等制備工藝結(jié)合還可獲得出色的生物兼容性。LAN等[111]通過(guò)靜電紡絲和電噴涂的工藝制備了一種基于納米纖維包埋氟化碳納米管微球的防水透氣摩擦納米發(fā)電機(jī)（見(jiàn)圖3a）。由于具有良好的透氣性，該電極可以在不影響植物生理活動(dòng)的前提下保形地附著在植物葉片上，并能夠從風(fēng)和雨滴中獲取環(huán)境能量，從而為無(wú)線植物傳感器持續(xù)性供能。

上述供電器件雖然可以解決植物柔性傳感供能問(wèn)題，但其多由高分子聚合物材料制備而成，不利于農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展以及器件的回收利用。針對(duì)該問(wèn)題，JIANG[112]等利用植物蛋白制造可降解摩擦納米發(fā)電機(jī)（bio-TENG），通過(guò)與聚乳酸的結(jié)合，制作了一種新型地膜，可用于大棚蔬菜栽培中的地膜覆蓋保護(hù)（見(jiàn)圖3b）。DAI等[113]提出了一種全方位風(fēng)能采集器，并能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)向、風(fēng)速。該設(shè)備是由8個(gè)摩擦電納米發(fā)電機(jī)（SE-TENG）和1個(gè)靜電計(jì)據(jù)采集板組裝成的，可以監(jiān)測(cè)0.5～10 m/s范圍內(nèi)的風(fēng)速與風(fēng)向，還可為不同電容器進(jìn)行充電，并為無(wú)線溫濕度傳感器持續(xù)供電，為農(nóng)業(yè)環(huán)境中的風(fēng)矢量監(jiān)測(cè)和能源供給提供了一種新的方法。

圖3 自供電電子器件在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用示例

綜上所述，柔性納米摩擦發(fā)電機(jī)在構(gòu)建農(nóng)業(yè)自供電系統(tǒng)方面顯示出巨大應(yīng)用前景。與傳統(tǒng)供能設(shè)備相比，可以提供耐用、免維護(hù)、自供給的傳感能源。但是，納米摩擦自發(fā)電裝置的缺點(diǎn)也不容忽視，例如制造工藝復(fù)雜，操作要求高，能量收集相對(duì)簡(jiǎn)單，實(shí)用性低等。因此，有效解決傳感設(shè)備的供電問(wèn)題是農(nóng)業(yè)傳感系統(tǒng)建設(shè)中不可忽視的問(wèn)題。

4 存在問(wèn)題與展望

植物柔性傳感器具有高柔韌性、可拉伸性、透明、質(zhì)量輕和高分辨率等優(yōu)良特性，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)植物的原位、定點(diǎn)和連續(xù)監(jiān)測(cè)。使用該設(shè)備可以將收集的植物生理信息及環(huán)境信息直接發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，使植物和管理者之間建立密切的聯(lián)系。因此，植物柔性傳感器在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中顯示出極高的應(yīng)用前景。但不可忽視的是，多數(shù)植物傳感器僅處于實(shí)驗(yàn)室階段，尚不能適應(yīng)大田苛刻的工作條件?，F(xiàn)有的植物柔性傳感器與目標(biāo)產(chǎn)品之間仍有較大差距，例如配套的傳感元件、電路和其他組件仍然需要在可伸縮性、空間分辨率、多功能集成、大面積和低成本制備等方面做出改進(jìn)與提升。

植物柔性傳感器多功能接口的實(shí)現(xiàn)。植物的生長(zhǎng)發(fā)育是一個(gè)受多因素影響的過(guò)程，因此對(duì)傳感器的監(jiān)測(cè)功能也提出了更高的要求。然而，為實(shí)現(xiàn)多功能同步監(jiān)測(cè)，必須克服快速尋址和減少晶格間串?dāng)_的問(wèn)題。同時(shí)，多個(gè)檢測(cè)元件的集成和疊加也給傳感器制造工藝和設(shè)備尺寸帶來(lái)挑戰(zhàn)。如何在保證數(shù)據(jù)可靠性的前提下實(shí)現(xiàn)多功能監(jiān)測(cè)是一個(gè)值得重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題，可以借鑒醫(yī)用柔性電子發(fā)展技術(shù)，發(fā)展基于信號(hào)調(diào)節(jié)模式識(shí)別的柔性生物-機(jī)器接口。與人類神經(jīng)系統(tǒng)相似，植物信號(hào)傳導(dǎo)與調(diào)節(jié)同樣靈敏而迅捷。因此，研究生物載體與柔性電子交互的智能傳感，有望突破柔性材料與計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的技術(shù)限制，從而極大地優(yōu)化柔性電子系統(tǒng)。

柔性傳感器對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生的負(fù)面影響。除了可能對(duì)植物的光合和呼吸產(chǎn)生的負(fù)面影響，還應(yīng)盡量避免傳感器的質(zhì)量以及化學(xué)物質(zhì)滲出對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生的危害。針對(duì)這一需求，選擇具有良好生物相容性的可生物降解材料制備傳感器是一種可靠的應(yīng)對(duì)方案。在未來(lái)研究中，可以利用化學(xué)合成技術(shù)與微納加工制備新型“植物皮膚”材料，該材料具備如下特點(diǎn)：輕薄透明，可以通過(guò)范德華力貼附于植物表面，避免膠黏劑的副作用，同時(shí)不影響光合作用；透氣防水，與植物貼合后不會(huì)影響植物進(jìn)行氣體交換，同時(shí)保護(hù)電子器件不受外界環(huán)境的污染。

植物生長(zhǎng)給傳感器帶來(lái)的挑戰(zhàn)。應(yīng)用于植物的柔性傳感器的面臨的最大挑戰(zhàn)之一是植物的快速生長(zhǎng)而導(dǎo)致的失配。要解決這一問(wèn)題，可以從材料和結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面提出方案。通過(guò)選擇具有良好拉伸性能和低彈性模量的材料，可以大幅提高傳感器的靈活性。此外，實(shí)現(xiàn)傳感器柔性功能的有效方法是通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如波浪、褶皺、島橋結(jié)構(gòu)、自相似結(jié)構(gòu)、折紙、裂紋和聯(lián)鎖等。此外，材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合，也可最大限度的提升柔性器件的可延展性，以匹配植物的快速生長(zhǎng)。例如可以在預(yù)拉伸的柔性基底材料上制備自相似蛇形導(dǎo)線，或者將基底設(shè)計(jì)為蜂窩狀或鋸齒狀，使蛇形導(dǎo)線發(fā)生部分懸空從而最大程度減少柔性基底對(duì)導(dǎo)線的約束。

植物柔性傳感系統(tǒng)的能量供應(yīng)。植物柔性傳感器的供能系統(tǒng)仍未實(shí)現(xiàn)完全柔性化和微型化，這極大程度地限制了植物柔性電子的應(yīng)用場(chǎng)景。除了目前已有的納米摩擦發(fā)電系統(tǒng)外，柔性醫(yī)療電子領(lǐng)域中也已經(jīng)發(fā)展出許多柔性儲(chǔ)能、供能器件，如柔性鋰電池、柔性光伏電池以及柔性超級(jí)電容器等，這些供能器件都可借鑒到植物柔性傳感領(lǐng)域。柔性鋰電池循環(huán)次數(shù)高且電壓高，可用于能耗較高的多功能植物柔性傳感器，但柔性鋰電池的低溫性能較差，需要考慮應(yīng)用于低溫環(huán)境生長(zhǎng)下的作物如冬小麥的工作狀況；柔性太陽(yáng)能電池能量轉(zhuǎn)換系效率高，適用于具有較長(zhǎng)日照時(shí)長(zhǎng)的農(nóng)場(chǎng)，缺點(diǎn)是在陰雨天能效較低，當(dāng)農(nóng)業(yè)傳感網(wǎng)絡(luò)用電需求較高時(shí)需要與其他供能方式配合；超級(jí)電容器具有充電時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)、溫度特性好和綠色環(huán)保等特點(diǎn)，也是為植物傳感器供能的有潛力的候選方式之一，但其缺點(diǎn)是輸出電壓會(huì)隨著放電過(guò)程而下降，這使得應(yīng)用場(chǎng)景受到限制。

植物柔性傳感器的出現(xiàn)拓寬并顛覆了人們對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)傳感設(shè)備的理解。對(duì)于新型智慧農(nóng)場(chǎng)的建設(shè)來(lái)說(shuō)，植物柔性電子將會(huì)成為一項(xiàng)不可或缺的應(yīng)用設(shè)備。應(yīng)用多個(gè)柔性傳感器，可以搭建多功能、多維度的農(nóng)業(yè)電子傳感網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田作物信息的無(wú)線監(jiān)測(cè)。進(jìn)一步地，結(jié)合自動(dòng)化農(nóng)機(jī)設(shè)備如自動(dòng)噴灌、自動(dòng)收割等，實(shí)現(xiàn)大型智慧農(nóng)場(chǎng)的無(wú)人管理。此外，應(yīng)用植物柔性電子所采集的信息數(shù)據(jù)，結(jié)合基因組學(xué)信息，研究人員有望進(jìn)一步揭示植物生長(zhǎng)和發(fā)育的調(diào)控機(jī)理，從而為育種工作和植物生理學(xué)研究提供更可靠的理論指導(dǎo)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，植物柔性傳感器已從想法走向現(xiàn)實(shí)，未來(lái)將在農(nóng)業(yè)上有更出色的應(yīng)用。

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Research progress and prospects of the plant flexible sensors

QU Chunchun1,2,3, SUN Wenxiu1,2, LI Zhen1, WANG Xiqing2, HE Zhizhu1※

(1.,100083,; 2.,,100083,; 3.,572000,)

Sensing technology can be greatly contributed to smart production in modern agriculture in recent years. It is a high demand for the accuracy and biosafety requirements of agricultural sensors. However, most traditional agricultural sensors cannot be deformed, due to their rigid properties. As a result, such sensors often hinder and even damage the normal growth of plants, due to misalignment. In addition, the intrusive detection behavior of rigid sensors can also lead to data distortion, due to the activation of the plant's self-healing mechanism. The new materials and manufacturing preparation have produced the plant's flexible sensors. Different from traditional rigid sensors, plant flexible sensors have attracted widespread attention and research interest in the agricultural field, due to their excellent mechanical properties and biocompatibility. In this review, the materials and preparation were firstly outlined required to fabricate the plant's flexible sensors. Three categories were divided into substrate, functional, and packaging materials, according to their function. At the same time, the preparation materials should meet the requirements of the application, in terms of biocompatibility, air permeability, and light transmission, in addition to the corresponding functions. A summary was proposed to compare the preparation materials and properties of existing plant flexible sensors. The preparation of plant flexible sensors was presented in two aspects of film preparation and micro-nano patterning. And then the review was focused on the implementation of flexible plant sensors to track the growth process of crops. The monitoring reviewed the physiological information of the crop, such as the plant's electrical signals, volatile chemicals, water content, and growth rate. The flexible plant sensors were used to monitor the environment of the growing plant, including the plant surface temperature, humidity, and illumination. The real-time monitoring data of plant growth status was recorded to propose timely and reliable response strategies. At the same time, the state-of-the-art flexible electronic self-powering was presented to introduce the existing flexible power supply system. The most promising plant-flexible electronic power supply system was then set as the emerging nano-friction power generation, due to its excellent biocompatibility and highly flexible. As a result, the improved system was better adapted to the properties of plants. Such power supplies were still at the laboratory stage. The bottleneck and development trend of plant flexible electronics in the field of smart agriculture were: 1) How to achieve multi-functional monitoring under the premise of data reliability. The medical flexible electronics and bio-machine interface were established using signal conditioning pattern recognition. 2) A high demand was to avoid the weight of the sensor and the damage caused by chemical leaching to plant growth and life, in addition to the potential negative effects on plant photosynthesis and respiration. A reliable strategy was to select biodegradable materials with excellent biocompatibility for the manufacture of sensors. 3) The mismatch can be one of the most challenges of flexible sensors that are applied to plants, due to the rapid growth of plants. The solutions were proposed from two aspects: Material and structure; 4) It is necessary to develop the nano-friction power generation, and some functional systems, such as flexible lithium batteries, photovoltaic cells, and supercapacitors.

smart agriculture;sensors;plant phenotype; plant flexible sensors

2023-01-16

2023-02-28

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2022YFD2000300）

渠純純，研究方向?yàn)橹参锶嵝詡鞲衅?。Email：qcc@cau.edu.cn

何志祝，博士，教授，研究方向?yàn)槲⒛芰炕厥?、自供能柔性傳感器、生物系統(tǒng)傳熱傳質(zhì)。Email：zzhe@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.202301081

S24；TG156

A

1002-6819(2023)-08-0032-12

渠純純，孫文秀，李瑧，等. 植物柔性傳感器研究進(jìn)展與展望[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2023，39(8)：32-43. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202301081 http://www.tcsae.org

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