据麦姆斯咨询报道，近日，浙江大学的科研人员开发了一款基于自适应绕组应变（AWS）传感器的植物可穿戴集成系统（IPWS），用于植物“脉搏”监测。该项研究成果以“An integrated and robust plant pulse monitoring system based on biomimetic wearable sensor”为题发表在《npj Flexible Electronics》期刊上。
有研究表明，植物的生长过程类似于人体脉搏的收缩和扩张过程，表现为植物茎干在白天和夜间的收缩和扩张。植物茎干的反复扩张会引起植物生长。实际上，植物脉搏与植物对水分的吸收和蒸腾有关。白天，植物叶片上大部分气孔张开，叶片蒸腾的水分大于根系吸收的水分，此时，茎干的直径几乎没有变化，甚至会缩小。夜间，当叶片上的气孔关闭时，植物从根部吸收的水分多于叶片蒸腾的水分，茎就会膨大。缺水时，茎明显收缩。因此，通过监测植物脉搏可以了解植物生长与水分供应之间的关系。
目前应用于植物脉搏监测的传感器主要是线性可变差动变压器（LVDT）传感器。植物幼苗的健康生长是坐果和产量的基础，但LVDT传感器体积大、笨重且不易固定，还对植物有预紧力，所以不适合植物幼苗的监测。
为此，浙江大学的科研人员开发了一款基于自适应绕组应变（AWS）传感器的植物可穿戴集成系统，用于无线监测植物脉搏（如下图a）。IPWS由AWS传感器、柔性印刷电路和智能手机APP（应用程序）显示界面三个模块组成。其中，最核心的部分AWS传感器的设计灵感来自于植物卷须，AWS传感器可以自适应地缠绕在番茄茎干上，无需任何浆糊或粘合剂。这种仿生卷须结构将直接拉伸产生的应变效应转化为曲率效应，避免了应变不足导致裂纹甚至断裂。此外，AWS传感器因其蛇形设计而具有抗温度干扰的能力，实现了对植物脉搏的长时间、抗干扰监测。植物茎干的膨大和收缩变化刺激AWS传感器的电阻产生相应的变化，IPWS可以记录电阻变化数据，并将电阻变化数据无线传输到智能手机。实验结果表明，IPWS可以准确监测植物脉搏，从而诊断番茄植株的生长和水分状态。
用于植物脉搏监测的可穿戴集成系统
番茄茎干表面有致密的腺毛和精油，不利于柔性可穿戴传感器的固定。而植物卷须可以缠绕在寄主植物的茎干上，卷须螺旋线的曲率会随着植物茎的膨胀和收缩而变化，但不影响寄主植物的正常生长。对植物卷须的相关研究证明，卷须凹面比另一侧的木质化程度更高，这使纤维界面的应变失配，导致其卷曲。根据这一机制，科研人员设计了具有仿生卷须结构的植物可穿戴传感器，该传感器无需任何固定装置或者胶带，即可自适应地缠绕在番茄茎干上（上图a）。
人体可穿戴无线传感器系统通常与蓝牙通信集成。但是，蓝牙无线传输无法实现对田间植物的远程、大规模监控。为此，研究人员设计并制作了具有WIFI无线数据传输功能的柔性印刷电路板，实现AWS传感器与智能手机之间的无线通信。
植物的生长需要特定的环境条件，例如充足的光照、适当的湿度和温差。因此，与其它用于动物和人类的可穿戴传感器不同，科研人员必须考虑环境因素对植物可穿戴传感器性能的影响。在该项研究中，科研人员通过将AWS传感器缠绕在玻璃棒上，在人工气候箱中进行测试，研究了温度、湿度和光照对传感器性能的影响。
AWS传感器的抗环境干扰性能
AWS传感器可以自适应地缠绕在番茄茎干上，如下图a所示。当植物的蒸腾速率高于根系吸水速率时，茎收缩。反之，茎膨大。因此，番茄的脉搏可以反映其水分状况。通过将AWS传感器集成到IPWS中，可以将响应信号无线传输到智能手机。科研人员采用一组高度为25cm的番茄幼苗进行实体监测。IPWS用于监测番茄幼苗离地15cm处的茎粗变化量（SDV）。商用LVDT传感器作为对比参照，用于验证IPWS的实用性和准确性。科研人员将LVDT传感器通过橡皮筋固定在番茄幼苗茎干上离地10 cm处，用另一个支架保持其稳定性，这对番茄幼苗来说难度较大。该传感器完全无法固定在弯曲而纤细的茎干上。相比之下，IPWS更容易固定在任何番茄茎干上，无需任何橡皮筋或胶带，如下图b所示。
植物脉搏的活体监测
综上所述，受自适应绕组植物卷须的启发，浙江大学的科研人员开发了一款基于自适应绕组应变（AWS）传感器的植物集成可穿戴系统（IPWS），用于植物脉搏监测。IPWS由AWS传感器、柔性印刷电路和智能手机APP显示界面三个模块组成。其中，核心部分AWS传感器可以自适应地缠绕在番茄茎干上。更重要的是，AWS传感器采用蛇形激光诱导石墨烯，表现出出色的抗温度干扰能力，耐温系数为0.17/°C。该项研究表明，IPWS可以稳定、高保真地监测植物脉搏，并能实时反映番茄植株的生长和水分状态。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41528-022-00177-5
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