Plant Phenomics | 南京農業大學陳發棣教授團隊發表可穿戴傳感器的最新研究綜述

隨著全球人口的持續增長，顯著地提高農業生產率，以滿足日益增長的糧食需求。然而，植物表型研究對于提高農作物產量起著關鍵作用。其中，利用各種數據采集工具獲取綜合表型至關重要。傳統的基于光學成像的表型技術，可以獲取植物表型狀態和動態信息，但該方法也存在空間分辨率低、對環境條件敏感等局限。而可穿戴傳感器是一種新興的數據收集工具，憑借其高空間分辨率、多功能性、最小侵入性等優勢,在植物表型研究中展現出巨大潛力。

2023年7月，Plant Phenomics 在線發表了南京農業大學陳發棣課題組題為 Wearable Sensor: An Emerging Data Collection Tool for Plant Phenotyping 的綜述文章。

該綜述系統總結了可穿戴傳感器在監測植物表型（伸長、葉溫、含水量、生物電位、應激反應等）和環境參數（溫度、濕度、光照、農藥、有毒氣體等）方面的進展，如圖2-圖8是一些穿戴傳感器的示意圖。關注植物生長不受干擾、傳感器與植物界面結合牢固、信號類型擴展、監測范圍擴大等方面的挑戰,并提出了可能的解決方案。同時該綜述還指出相比光學成像技術,可穿戴傳感器具有高時空分辨率、可檢測環境對表型的影響、野外應用準確率高等優勢,在植物表型研究中展現出巨大應用潛力。可穿戴傳感器監測植物生長節律、葉片微環境、含水量變化、生物電位響應、應激反應等方面取得進展。
 

本文從材料科學、信號傳輸、制造技術和植物生理學多學科視角,系統梳理可穿戴傳感器在植物表型研究領域的進展。提出植物生長不受影響、傳感器與植物結合牢固等方面的技術難點,為后續研究提供參考。

圖1用于監測植物表型和環境的可穿戴傳感器
 

圖2用于測量植物伸長的可穿戴傳感器。 (A) 基于 Ti/Au 的可拉伸應變傳感器：(i) 應變傳感器的數碼照片，(ii) 附著在大麥植株上的傳感器系統的照片，以及 (iii) 顯示實時情況的繪圖測量大麥植株的葉片伸長。根據 CC-BY 4.0 知識共享歸屬許可證的條款進行改編。(B) 基于殼聚糖的直寫柔性傳感器：(i) 制造示意圖，(ii) 傳感器打印在 2個黃瓜果實上（一個保留在莖上，另一個與莖斷開），用于測量，以及（iii）實時監測黃瓜生長情況。基于石墨/碳納米管的應變傳感器：(i) 制造石墨膜 (GM)/碳納米管膜 (CNTM) 應變傳感器的關鍵步驟，(ii) 安裝在 Cucurbita pepo 植物上的傳感器，以及 ( iii) 由可穿戴傳感器記錄的逐步增長。 (D) 液態合金傳感器：(i) 印刷在硅膠半球 3D 表面上的分形電路，(ii) 印刷在玫瑰上的 LA 代碼，以及 (iii) 芽的相對長度和相對電阻傳感器作為生長時間的函數。
 

圖3 用于測量植物葉片溫度的可穿戴傳感器。(A) 基于反向散射通信的標簽-傳感器節點：(i) 反向散射通信示意圖，(ii) 傳感器節點和標簽設計，以及 (iii) 時域反向散射信號和功率電平。傳輸的莫爾斯符號“.. - - - - - - ..”對應于 28 ℃。經許可轉載。(B) 基于 ZigBee 的無線溫度傳感器網絡：(i) 溫度傳感器原型的頂視圖，(ii) 安裝在瓜葉上的溫度傳感器，以及 (iii) 傳感器記錄的溫差及其與沉淀。

圖4用于測量植物水合作用的可穿戴傳感器 。（A）基于PI的植物干旱傳感器：（i）基于柔性PI的植物干旱傳感器的結構圖，（ii）安裝在葉子下表面的植物干旱傳感器的光學圖像，以及（iii）煙草對干旱脅迫的反應。根據 CC-BY 4.0 知識共享歸屬許可條款復制。(B) 基于 GO 的濕度傳感器：(i) 柔性濕度傳感器的制造過程，(ii) 安裝在 Epipremnum aureum 葉子下表面的基于 GO 的濕度傳感器的照片，以及 (iii)監測濕度傳感器對干旱脅迫的電容響應。(C) 基于石墨烯的濕度傳感器：(i) 傳感器放置和檢測機制的示意圖，(ii) 石墨烯傳感器和安裝在玉米葉背面的商用參考傳感器的照片，以及(iii) 實時監測自交系 B73 玉米植株灌溉后的相對濕度水平。(D) 用于跟蹤植物液流的靈活電子傳感系統：(i) 植物可穿戴傳感器的分解圖，(ii) 安裝在悲傷葉子上的傳感器的光學圖像，(iii) 示意圖檢測原理，(iv) 從左到右液流測量的溫度，(v) 西瓜植株上 3 個傳感器的布置示意圖，以及 (vi) 3 個傳感器測量的液流流速的變化。PET、聚對苯二甲酸乙二醇酯；PTC，正溫度系數。
 

圖5  用于測量植物生物電勢的可穿戴傳感器。(A) 具有 BDD 電極的靈敏植物監測系統：(i) 用于檢測盆栽仙人掌雜交植物生物電勢的實驗裝置照片和示意圖，(ii) 手指觸摸引起的盆栽仙人掌雜交植物中的生物電勢，以及 ( iii) BDD 和 Pt 電極記錄的環境變化引起的生物電勢變化。(B) 柔性 BDD 電極：(i) 安裝在蘆薈葉上的薄膜型電極的示意圖，(ii) BDD 傳感器元件和遮蔽膠帶，以及 (iii) (1) 由柔性 BDD 電極記錄的電位信號11天，（2）11天的降雨量，（3）對手指觸摸刺激的反應，（4）150毫升澆水后的反應。根據 CC-BY 4.0 知識共享歸屬許可證的條款進行改編。(C) 基于熱凝膠的可變形離子電極：(i) 可變形電極在毛狀植物上粘附過程的示意圖，(ii) 測量火焰損傷引起的電位變化，(iii) 顯示粘附在毛狀向日葵上的板電極的照片(iv) 從向日葵莖上的熱凝膠和 PAAm 水凝膠讀取電位信號。經許可轉載。(D) 自粘表面電極：(i) 自粘電極的插圖和圖像，(ii) 應用于 Codariocalyx motorius 葉枕上的電極照片，以及 (iii) 用光和電記錄的生物電信號傷害刺激。根據 CC-BY 4.0 知識共享歸屬許可條款復制。FG，框架背景；INA，儀表放大器；EPC，熱凝膠聚合物，由親水性聚乙二醇（PEG）、熱響應性聚丙二醇（PPG）和疏水性可生物降解聚己內酯（PCL）片段組成，命名為聚（PEG/PPG/PCL 聚氨酯 ）并表示為EPC；PCB，印刷電路板。
 

圖6用于測量植物應激反應的可穿戴傳感器。(A) 用于檢測病原體感染下植物排放的 VOC 的傳感器：(i) 具有軟 AgNW 電極和石墨烯基傳感材料的傳感器示意圖，(ii) 貼在番茄葉上的可穿戴傳感器的照片，以及（ iii) 傳感器陣列對傳染性瘧原蟲接種的實時響應。(B) 用于檢測 UVA 照射下植物葉子阻抗譜的傳感器：(i) 傳感器制造和測量示意圖，(ii) 原始且經 UVA 照射的玉簪葉子的照片，以及 (iii) 頻率相關阻抗和（ iv) 原始（綠色）和 UVA 照射（紫色）玉簪葉的相位響應。(C) 用于檢測臭氧氧化下植物葉片阻抗譜的傳感器：(i) 傳感器制造和測量示意圖，以及 (ii) 不同臭氧濃度下的阻抗和 (iii) 相位響應。VHB 膠帶，“極高粘合力”膠帶。
 

 圖7用于測量空氣溫度、空氣濕度和光線的可穿戴傳感器。(A) 集成溫度和濕度傳感器的可穿戴設備：(i) 柔性多感官平臺的制造工藝流程圖，(ii) 集成可穿戴傳感器系統的照片，(iii) 溫度傳感器的實時響應當暴露于溫度分布的局部變化時，以及（iv）濕度傳感器對濕度水平變化的實時響應。根據 CC-BY 4.0 知識共享歸屬許可證的條款進行改編。(B) 具有多個傳感元件的輕型可拉伸傳感器：(i) 多功能葉子傳感器的分解圖（左）和頂視圖（右），(ii) 安裝在玉米葉子上并測量的多功能葉子傳感器的照片(iii) 環境溫度和 (iv) 光強度的結果。
 

圖8用于農藥和有毒氣體測量的可穿戴傳感器。（A）用于監測有機磷農藥的可穿戴傳感器：（i）可穿戴傳感器的制造過程示意圖，（ii）附著在菠菜植物上的傳感器的照片，以及（iii）噴灑有機磷農藥的樣品的方波伏安曲線甲基對硫磷和不含甲基對硫磷的對照樣品。(B) DMMP 氣體傳感器陣列：(i) DMMP 氣體傳感器陣列的示意圖，(ii) 轉移到活葉表面的 DMMP 氣體傳感器的照片，以及 (iii) 對變化的實時響應DMMP 的濃度。(C) NO2 氣體傳感器陣列：(i) NO2 氣體傳感器陣列的制造過程示意圖，(ii) 在活植物葉子上制作的氣體傳感器陣列的照片，以及 (iii) 氣體的動態響應NO2 氣體傳感器陣列。OPH，有機磷水解酶M-SWCNT，金屬單壁碳納米管；CNT，碳納米管。

論文鏈接：

‍https://doi.org/10.34133/plantphenomics.0051

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About Plant Phenomics

《植物表型組學》（Plant Phenomics）是由南京農業大學和美國科學促進會（AAAS）合作創辦的英文學術期刊，于2019年1月正式上線發行。采用開放獲取形式，刊載植物表型組學交叉學科熱點領域具有突破性科研進展的原創性研究論文、綜述、數據集和觀點。具體范圍涵蓋高通量表型分析的最新技術，基于圖像分析和機器學習的表型分析研究，提取表型信息的新算法，作物栽培、植物育種和農業實踐中的表型組學新應用，與植物表型相結合的分子生物學、植物生理學、統計學、作物模型和其他組學研究，表型組學相關的植物生物學等。期刊已被DOAJ、Scopus、PMC、EI和SCIE等數據庫收錄。科睿唯安JCR2021影響因子為6.5，位于農藝學、植物科學、遙感一區。中科院農藝學、植物科學一區，遙感二區，生物大類一區（TOP期刊）。2020年入選中國科技期刊卓越行動計劃高起點新刊項目。

說明：本文由《植物表型組學》編輯部負責組稿。
中文內容僅供參考，一切內容以英文原版為準。
撰稿：許滸（南京農業大學）
排版：向雪薇（南京農業大學）
審核：孔敏、王平