沈臻懿

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

提升全球糧食產(chǎn)量的關(guān)鍵技術(shù)

據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織的數(shù)據(jù)顯示，到2050年，全球人口將新增23億，屆時糧食產(chǎn)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(chǎn)量帶來20%到40%左右的損失，這直接影響到了世界范圍內(nèi)的糧食安全問題。

為了提升作物產(chǎn)量，減緩因環(huán)境或微生物引發(fā)的植物病蟲害問題，對植物生長進(jìn)行監(jiān)測很有必要。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，往往采用外觀觀察和人工土壤檢測等方式對大型農(nóng)場予以監(jiān)測。隨著科技的發(fā)展，如今又有一項新的技術(shù)——可穿戴式植物傳感器，逐步呈現(xiàn)出其在智慧農(nóng)業(yè)方面的巨大潛力。

研究人員專門為可穿戴式植物傳感器設(shè)計研發(fā)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(fā)現(xiàn)，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(guān)。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(fā)生收縮。到了夜間，當(dāng)葉片上的氣孔關(guān)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(yǎng)分等物質(zhì)的載體，稱之為“莖流”，是植物在蒸騰、滲透等內(nèi)外部作用下，從莖干中所產(chǎn)生的液流。如果能夠?qū)ηo流長期實施動態(tài)監(jiān)測并讀懂諸如水養(yǎng)分分配、信號傳導(dǎo)等生理指標(biāo)，就可以進(jìn)一步改善植物健康狀況，并提升農(nóng)業(yè)作物生產(chǎn)力。

不過，現(xiàn)有的植物監(jiān)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(yīng)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(yīng)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(shù)研發(fā)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(jìn)行監(jiān)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(shè)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(zhì)自由穿過傳感器，進(jìn)而確保傳感器在融入植物自然生長的同時，可對其進(jìn)行長期監(jiān)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(shù)個關(guān)鍵點進(jìn)行部署，以長期監(jiān)測水分在不同部分的動態(tài)分布情況。

我們都知道，水是生命之源。據(jù)統(tǒng)計，農(nóng)業(yè)用水占到了全球淡水使用量的70%?？梢哉f，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與水資源可利用率息息相關(guān)。借助于這種可穿戴式的莖流傳感器對作物內(nèi)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(qū)域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、節(jié)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(biāo)”

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(nóng)產(chǎn)品之一，但其容易受到包括真菌、細(xì)菌和病毒等諸多病原體的“侵蝕”，進(jìn)而影響到作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。熟悉西紅柿這一作物的人們應(yīng)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(zhì)。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(chuàng)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(yīng)變化。借助該原理，研究人員應(yīng)用仿生學(xué)技術(shù)，可將這種卷須結(jié)構(gòu)融入自適應(yīng)的可穿戴式植物傳感器中。具體而言，這一基于自適應(yīng)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(yīng)地方式纏繞在西紅柿莖干之上。卷須結(jié)構(gòu)的神奇之處在于其能夠?qū)⒅苯永焖a(chǎn)生的應(yīng)變效應(yīng)轉(zhuǎn)化為曲率效應(yīng)，還可避免因應(yīng)變的不足而致使斷裂情形的發(fā)生。

無人機、衛(wèi)星等技術(shù)紛紛被引入對大型農(nóng)場的監(jiān)測

當(dāng)自適應(yīng)纏繞可穿戴傳感器用于植物監(jiān)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(fā)生相應(yīng)改變。傳感器在記錄電阻變化數(shù)據(jù)的同時，即可通過無線傳輸功能將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)測終端。借助于這些動態(tài)生理指標(biāo)，人們可以對植物“脈搏”進(jìn)行分析，并實時關(guān)注植物的生長和水分等狀態(tài)。

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(lán)牙無線通信。不過，無線藍(lán)牙功能在面對農(nóng)場作物的大規(guī)模遠(yuǎn)程監(jiān)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(shè)計研發(fā)了帶有WiFi無線傳輸功能的柔性印刷電路板，以實現(xiàn)傳感器和智能終端間的暢通互聯(lián)。

植物極易受到來自環(huán)境的化學(xué)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(fā)性有機化合物做出反應(yīng)。根據(jù)這一特性，研究人員也已研發(fā)了可穿戴的植物化學(xué)傳感器，用于無損監(jiān)測植物的揮發(fā)性有機化合物排放，進(jìn)而為植物的健康生長“保駕護(hù)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(xiàn)代智能農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，對作物的精準(zhǔn)管理提出了更高的要求?？纱┐魇街参飩鞲衅髯鳛橐豁椫匾?，還需要在靈敏度、無損化以及高精度等方面持續(xù)深入，以真正實現(xiàn)作物種植、生長監(jiān)測的智能化、無線化和數(shù)字化。

編輯：黃靈? yeshzhwu@foxmail.com