一種集成的多模態(tài)柔性傳感器系統(tǒng)

越來越多的生物和非生物脅迫，對植物的生長和產(chǎn)量帶來了潛在的威脅。因此，對植物健康狀況的準(zhǔn)確監(jiān)測和評估顯得越來越重要。但是，傳統(tǒng)用于這類測量的傳感器通常體積大且笨重，并局限于集中的氣候條件，或需要在氣體交換室中進行測量。

附著在葉片下的集成柔性傳感裝置，可以長期監(jiān)測植物的蒸騰過程

一種策略是利用柔性傳感器智能連接植物。不過，由于植物的信號通路相對復(fù)雜，因此監(jiān)測植物的生理信息充滿挑戰(zhàn)。此外，非生物脅迫因素的同步監(jiān)測，需要持續(xù)、柔性、多功能的傳感器系統(tǒng)，以便在沒有性能退化和信號串?dāng)_的情況下進行長期監(jiān)測。

多模態(tài)柔性植物健康監(jiān)測傳感器（左），具有不同功能組件的傳感器結(jié)構(gòu)示意圖（右）

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日在ACS Nano上發(fā)表的一篇題為《多模態(tài)植物健康監(jiān)測柔性傳感器系統(tǒng)》的研究報道中，日本大阪府大學(xué)（Osaka Prefecture University, OPU）的研究人員介紹了一種集成的多模態(tài)柔性傳感器系統(tǒng)，包括一個室內(nèi)濕度傳感器、一個樹葉濕度傳感器，一個光學(xué)傳感器和一個溫度傳感器，能夠監(jiān)測植物潛在的生理健康問題。值得注意的是，通過利用植物蒸騰過程，基于這種“植物-傳感器”生物接口，實現(xiàn)了對大果木棉的長期監(jiān)測（>15天），直觀地記錄了植物的脫水狀況。

這款以堆疊ZnIn2S4（ZIS）納米片為核心傳感介質(zhì)的柔性傳感器，不僅能快速響應(yīng)（~4 ms）感知光照，而且能以持久穩(wěn)定的性能監(jiān)測濕度。由于這是首次將ZIS納米片應(yīng)用于濕度傳感器，因此，研究人員對其濕度傳感機理進行了詳細的理論和實驗研究。在沒有信號串?dāng)_的情況下，實時測量了控制植物蒸騰的三種主要非生物脅迫因素：濕度、光照和溫度。

（a）頂部、中部和下部三片葉片被監(jiān)測的大果木棉，（b）相應(yīng)的實時監(jiān)測結(jié)果，自上而下分別為：室內(nèi)濕度、溫度、光照以及植物濕度。

“很多柔性傳感器已經(jīng)成功應(yīng)用于人體健康監(jiān)測，以及人機交互界面?！比嵝噪娮訉＜褼ae-Hyeong Kim教授說：“這項研究提出的用于植物健康狀態(tài)監(jiān)測的多模態(tài)柔性傳感器概念，或?qū)橹腔坜r(nóng)業(yè)開辟一條新的道路?！?/p>

這款多模態(tài)柔性傳感器的制造過程

該項目負(fù)責(zé)人Kuniharu Takei教授說：“通過合理選擇活性傳感材料和電極，我們解決了長期跟蹤植物非生物脅迫所需要的傳感器性能，并能夠進行無串?dāng)_的多通道信號采集?！?br />
未來的進一步研究將包括降低柔性傳感器系統(tǒng)的厚度和重量，增加傳感器功能，以響應(yīng)其它生物和非生物脅迫因素，以及提高以時空模式解碼植物化學(xué)信號的能力。另外，還將考量環(huán)境氣體（如CO2、O2或NOx）對傳感器輸出的影響。