據麥姆斯咨詢報道，近日，浙江大學的科研人員開發了一款基于自適應繞組應變（AWS）傳感器的植物可穿戴集成系統（IPWS），用于植物“脈搏”監測。該項研究成果以“An integrated and robust plant pulse monitoring system based on biomimetic wearable sensor”為題發表在《npj Flexible Electronics》期刊上。
有研究表明，植物的生長過程類似于人體脈搏的收縮和擴張過程，表現為植物莖干在白天和夜間的收縮和擴張。植物莖干的反復擴張會引起植物生長。實際上，植物脈搏與植物對水分的吸收和蒸騰有關。白天，植物葉片上大部分氣孔張開，葉片蒸騰的水分大于根系吸收的水分，此時，莖干的直徑幾乎沒有變化，甚至會縮小。夜間，當葉片上的氣孔關閉時，植物從根部吸收的水分多于葉片蒸騰的水分，莖就會膨大。缺水時，莖明顯收縮。因此，通過監測植物脈搏可以了解植物生長與水分供應之間的關系。
目前應用于植物脈搏監測的傳感器主要是線性可變差動變壓器（LVDT）傳感器。植物幼苗的健康生長是坐果和產量的基礎，但LVDT傳感器體積大、笨重且不易固定，還對植物有預緊力，所以不適合植物幼苗的監測。
為此，浙江大學的科研人員開發了一款基于自適應繞組應變（AWS）傳感器的植物可穿戴集成系統，用于無線監測植物脈搏（如下圖a）。IPWS由AWS傳感器、柔性印刷電路和智能手機APP（應用程序）顯示界面三個模塊組成。其中，最核心的部分AWS傳感器的設計靈感來自于植物卷須，AWS傳感器可以自適應地纏繞在番茄莖干上，無需任何漿糊或粘合劑。這種仿生卷須結構將直接拉伸產生的應變效應轉化為曲率效應，避免了應變不足導致裂紋甚至斷裂。此外，AWS傳感器因其蛇形設計而具有抗溫度干擾的能力，實現了對植物脈搏的長時間、抗干擾監測。植物莖干的膨大和收縮變化刺激AWS傳感器的電阻產生相應的變化，IPWS可以記錄電阻變化數據，并將電阻變化數據無線傳輸到智能手機。實驗結果表明，IPWS可以準確監測植物脈搏，從而診斷番茄植株的生長和水分狀態。
用于植物脈搏監測的可穿戴集成系統
番茄莖干表面有致密的腺毛和精油，不利于柔性可穿戴傳感器的固定。而植物卷須可以纏繞在寄主植物的莖干上，卷須螺旋線的曲率會隨著植物莖的膨脹和收縮而變化，但不影響寄主植物的正常生長。對植物卷須的相關研究證明，卷須凹面比另一側的木質化程度更高，這使纖維界面的應變失配，導致其卷曲。根據這一機制，科研人員設計了具有仿生卷須結構的植物可穿戴傳感器，該傳感器無需任何固定裝置或者膠帶，即可自適應地纏繞在番茄莖干上（上圖a）。
人體可穿戴無線傳感器系統通常與藍牙通信集成。但是，藍牙無線傳輸無法實現對田間植物的遠程、大規模監控。為此，研究人員設計并制作了具有WIFI無線數據傳輸功能的柔性印刷電路板，實現AWS傳感器與智能手機之間的無線通信。
植物的生長需要特定的環境條件，例如充足的光照、適當的濕度和溫差。因此，與其它用于動物和人類的可穿戴傳感器不同，科研人員必須考慮環境因素對植物可穿戴傳感器性能的影響。在該項研究中，科研人員通過將AWS傳感器纏繞在玻璃棒上，在人工氣候箱中進行測試，研究了溫度、濕度和光照對傳感器性能的影響。
AWS傳感器的抗環境干擾性能
AWS傳感器可以自適應地纏繞在番茄莖干上，如下圖a所示。當植物的蒸騰速率高于根系吸水速率時，莖收縮。反之，莖膨大。因此，番茄的脈搏可以反映其水分狀況。通過將AWS傳感器集成到IPWS中，可以將響應信號無線傳輸到智能手機?？蒲腥藛T采用一組高度為25cm的番茄幼苗進行實體監測。IPWS用于監測番茄幼苗離地15cm處的莖粗變化量（SDV）。商用LVDT傳感器作為對比參照，用于驗證IPWS的實用性和準確性?？蒲腥藛T將LVDT傳感器通過橡皮筋固定在番茄幼苗莖干上離地10?cm處，用另一個支架保持其穩定性，這對番茄幼苗來說難度較大。該傳感器完全無法固定在彎曲而纖細的莖干上。相比之下，IPWS更容易固定在任何番茄莖干上，無需任何橡皮筋或膠帶，如下圖b所示。
植物脈搏的活體監測
綜上所述，受自適應繞組植物卷須的啟發，浙江大學的科研人員開發了一款基于自適應繞組應變（AWS）傳感器的植物集成可穿戴系統（IPWS），用于植物脈搏監測。IPWS由AWS傳感器、柔性印刷電路和智能手機APP顯示界面三個模塊組成。其中，核心部分AWS傳感器可以自適應地纏繞在番茄莖干上。更重要的是，AWS傳感器采用蛇形激光誘導石墨烯，表現出出色的抗溫度干擾能力，耐溫系數為0.17/°C。該項研究表明，IPWS可以穩定、高保真地監測植物脈搏，并能實時反映番茄植株的生長和水分狀態。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41528-022-00177-5
延伸閱讀：
《印刷和柔性傳感器技術及市場-2021版》
《可穿戴技術及市場-2021版》
《印刷和柔性電子材料-2021版》
《可穿戴傳感器技術及市場-2020版》
《柔性、印刷及薄膜電池技術和市場趨勢-2020版》
