多模態(tài)植物可穿戴傳感器貼片原理分析

用于植物生理連續(xù)監(jiān)測的多功能、微型化傳感器技術(shù)在植物早期疾病檢測、脅迫傳感和生長預(yù)測等方面具有重要意義。目前大部分可穿戴傳感器技術(shù)僅能檢測植物的物理生長或大氣環(huán)境參數(shù)。因此，需要一種多功能、實(shí)時傳感器裝置，以實(shí)現(xiàn)高靈敏度、高特異性地跟蹤植物和/或其周圍環(huán)境的生物化學(xué)（例如植物揮發(fā)性有機(jī)化合物等）及生物物理（例如溫度、濕度等）信號。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，美國北卡羅來納州立大學(xué)（North Carolina State University）的研究團(tuán)隊開發(fā)出一種可貼附在葉片下表面的多模態(tài)可穿戴傳感器，通過跟蹤植物及其微環(huán)境的生物化學(xué)及生物物理信號，實(shí)現(xiàn)對植物生理狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測。該傳感器能夠連續(xù)并同時檢測葉片揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）、葉片表面溫度/濕度和環(huán)境濕度，具有高靈敏度和選擇性。相關(guān)研究成果已發(fā)表于Science Advances期刊。

本研究提出的多模態(tài)植物可穿戴傳感器

在這項研究工作中，研究人員展示了一種多模態(tài)植物可穿戴傳感器貼片，能夠檢測單株植物的生物化學(xué)及生物物理參數(shù)，包括葉片VOC、葉片表面濕度、葉片表面溫度和環(huán)境相對濕度，可實(shí)現(xiàn)對植物生理狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測。這種多功能傳感器使用新設(shè)計的3D納米混合傳感網(wǎng)絡(luò)來捕獲葉片VOC信號，極大降低了VOC、溫度和濕度信號之間的串?dāng)_。集成在傳感器貼片上的每個傳感器組件的性能（例如檢測靈敏度和范圍）與現(xiàn)有的多路復(fù)用傳感器系統(tǒng)所展示的性能相匹配，并且有潛力達(dá)到單功能傳感器的性能。此外，不同于以往的傳感器應(yīng)用方式，該傳感器安裝在葉片下表面，可以使植物輸出信號最大化。

利用這種多模態(tài)傳感器貼片，研究人員在實(shí)驗室和溫室條件下展示了其監(jiān)測各種植物脅迫的能力，包括干旱、過度澆水、鹽度、光照不足、機(jī)械損傷和致病性感染（病毒和真菌）。值得一提的是，與傳統(tǒng)的基于核酸LAMP反應(yīng)或視覺評估的技術(shù)相比，該多模態(tài)傳感器貼片在植物病原體早期檢測方面展示出更加優(yōu)異的性能（可提前2至3天）。

多模態(tài)可穿戴傳感器用于檢測植物非生物脅迫

多模態(tài)可穿戴傳感器用于原位檢測生物脅迫（病原體感染）下番茄植株的健康狀況

此外，研究人員還開發(fā)了一種基于主成分分析（PCA）方法的機(jī)器學(xué)習(xí)分析框架，用于定量評估早期檢測能力，并從多個傳感器中篩選出最佳組合，以更快地預(yù)測植物病害。這種融合了數(shù)據(jù)分析的傳感器系統(tǒng)可用于農(nóng)業(yè)環(huán)境中的植物健康監(jiān)測和作物損失預(yù)防等多種應(yīng)用。

利用機(jī)器學(xué)習(xí)分析實(shí)時的番茄斑萎病毒（TSWV）傳感器數(shù)據(jù)

研究人員分析了該傳感器未來的發(fā)展方向，指出對實(shí)際現(xiàn)場應(yīng)用而言，傳感器貼片的尺寸應(yīng)進(jìn)一步小型化，例如通過光刻、毛細(xì)管微成型或直接激光寫入等更高分辨率的制造技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。傳感器貼片的幾何形狀也需要更加靈活，以適應(yīng)不同形狀的葉片。在多模態(tài)傳感器中，交叉靈敏度在同時存在多種刺激時會影響對特定目標(biāo)的精確測量，因此，在未來的傳感器設(shè)計和開發(fā)中，實(shí)現(xiàn)解耦傳感機(jī)制（例如不同的傳感材料、傳感器布局和信號原理）至關(guān)重要。此外，未來有望實(shí)現(xiàn)完全獨(dú)立的傳感器，這需要將薄膜電池、自供電單元以及用于無線信號傳輸?shù)墓δ茈娐返汝P(guān)鍵組件與傳感元件集成在同一貼片上。同時，傳感器貼片的穩(wěn)健性還需要在溫室和田間實(shí)驗中開展更加全面的測試。

編輯：黃飛

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