智能手表能告訴我們?nèi)梭w血氧水平、睡眠質(zhì)量或每日步數(shù)。現(xiàn)在，試想一下植物也能通過可穿戴傳感器擁有這種自身監(jiān)測能力。
當農(nóng)民發(fā)現(xiàn)田里的作物葉片卷曲或生長遲緩時，這些作物可能已經(jīng)處于逆境中好幾天了。一項針對植物“可穿戴”傳感器的創(chuàng)新技術(shù)旨在更早地捕捉這些植物的求救信號——即在植物出現(xiàn)肉眼可見的受損癥狀之前，從而讓農(nóng)民能夠及時采取措施，幫助作物茁壯成長。
據(jù)麥姆斯咨詢報道，在塔夫茨大學(xué)（Tufts University）近期的一項研究中，研究人員開發(fā)出了一種類似紋身的微型傳感器，可貼附在葉片表面；同時還設(shè)計了一種可伸縮的帶狀裝置，用于包裹植物莖部。這兩者協(xié)同工作，監(jiān)測植物生命的兩項關(guān)鍵指標：葉片表面的溫度與濕度，以及莖部是否仍在生長。更令人矚目的是，該系統(tǒng)無需外接電池，而是通過收集植物自身蒸發(fā)的水分來獲取能量。
塔夫茨大學(xué)電氣與計算機工程教授、該項目資深研究員Sameer Sonkusale說道：“這項技術(shù)更宏大的前景不僅僅在于單株植物佩戴各種傳感器，而在于未來農(nóng)田中可能部署植物級的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，每個監(jiān)測點都能實時報告缺水、鹽脅迫、病害或養(yǎng)分失衡的早期跡象。衛(wèi)星和無人機已經(jīng)能為農(nóng)民提供‘鳥瞰視角’，而植物可穿戴傳感器則能提供一種更為親密的視角：‘植物視角’。”
目前的作物監(jiān)測方法主要利用衛(wèi)星圖像和無人機獲取可見光、紅外及微波數(shù)據(jù)，從而繪制出反映作物綠度、生長不均勻度、溫度、蟲害情況、土壤濕度及其它宏觀脅迫指標的圖譜。土壤傳感器可測量濕度、溫度、pH值及部分養(yǎng)分含量；氣象站則提供氣溫、濕度、降雨量、風(fēng)況及日照等信息。
盡管這些測量手段很有價值，但它們關(guān)注的往往是可能影響作物未來的環(huán)境條件，或是對已發(fā)生損害的評估。“葉片可穿戴傳感器更像是一個預(yù)警系統(tǒng)，它能在可見癥狀出現(xiàn)之前，實時反映植物的生理反應(yīng)。”主導(dǎo)這項研究工作的塔夫茨大學(xué)研究生Nafize Hossain表示，“該可穿戴傳感器還可擴展用于監(jiān)測植物健康的其它重要指標，例如關(guān)鍵營養(yǎng)素和植物激素的水平——這些指標是根、葉、莖、果生長以及植物對病原體反應(yīng)的早期信號。”
這種葉片傳感器外觀酷似臨時紋身，既薄又靈活，能貼合不平整的表面，既不損傷植物，也不妨礙其呼吸或隨風(fēng)搖曳。Nafize Hossain表示：“雖然市面上已有其它植物傳感器，但它們監(jiān)測多種脅迫因素及生長相關(guān)參數(shù)的能力有限，而且這些技術(shù)往往依賴外部電池，這增加了在田間部署的難度。”
研究人員開發(fā)的這款可穿戴傳感器首先能提供關(guān)于“飽和水汽壓差（VPD）”的數(shù)據(jù)。這是一個專業(yè)術(shù)語，但描述的現(xiàn)象卻很直觀：即空氣從植物體內(nèi)吸取水分的傾向有多強。當VPD較高時，空氣干燥，會更強烈地從葉片中吸走水分。植物的應(yīng)對方式是關(guān)閉氣孔——即調(diào)節(jié)氣體交換和水分流失的微小孔隙。此舉雖能防止脫水，但也減緩了光合作用和生長速度。
塔夫茨大學(xué)研發(fā)的這款葉片濕度傳感器采用了分離成極薄“納米片”的五氧化二釩晶體。這些納米片層疊排列，構(gòu)成了一層薄膜。此外，還有一層由碳原子構(gòu)成的石墨烯充當“篩網(wǎng)”，允許水分從植物傳導(dǎo)至納米片。水分通過時會形成離子，在納米片間流動并產(chǎn)生電流——如此一來，它不僅是傳感器，同時也充當了電池。電流強度與空氣間的水分交換量成正比。雖然產(chǎn)生的電量極微（僅為微瓦級），但配合低功耗電子元件和儲能裝置，已足以支持周期性的傳感監(jiān)測。
安裝在莖部的可穿戴傳感器借鑒了“剪紙工藝（kirigami）”——一種通過折疊紙張使其能以受控方式拉伸和變形的日本藝術(shù)。該傳感器表面覆蓋著一層共晶凝膠（eutectogel），這是一種柔軟的離子導(dǎo)電凝膠，其電阻會隨莖部的膨脹或收縮而變化。在健康生長狀態(tài)下，莖部直徑通常會增加；而在遭受脅迫時，生長可能減緩，甚至導(dǎo)致莖部收縮。
將安裝在葉片和莖部的兩種可穿戴傳感器結(jié)合使用至關(guān)重要，因為植物表現(xiàn)出的脅迫反應(yīng)可能發(fā)生在不同的時間尺度上。例如，葉片傳感器能反映植物是否正面臨導(dǎo)致水分流失的即時環(huán)境條件，而莖部生長數(shù)據(jù)則記錄了較緩慢的生物學(xué)過程。
在針對甜椒植株的測試中，該可穿戴系統(tǒng)成功區(qū)分了健康植株與面臨水分虧缺及鹽分脅迫的植株。健康植株表現(xiàn)出隨時間變化的節(jié)律性“飽和水汽壓差（VPD）”波動，與空氣濕度的正常日變化周期保持一致。
遭受水分脅迫的植株呈現(xiàn)出VPD升高的趨勢。遭受鹽分脅迫的植株則表現(xiàn)出不同的模式：與對照組相比，其VPD較低，這可能與水分吸收及氣孔行為的改變有關(guān)。與此同時，莖部傳感器監(jiān)測到了健康植株的生長，以及受脅迫植株出現(xiàn)的收縮或直徑減小現(xiàn)象。
這些可穿戴傳感器的設(shè)計充分考慮了田間環(huán)境的需求。葉片傳感器能夠耐受彎曲和拉伸；莖部傳感器則采用了剪紙結(jié)構(gòu)設(shè)計，有助于分散應(yīng)力，并減輕強風(fēng)等突發(fā)擾動帶來的影響。此外，該研究團隊正致力于開發(fā)一套功能完備的無線通信平臺，利用LoRa（遠距離）或藍牙通信標準來實現(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)傳輸。
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