Plant Phenomics | 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)陳發(fā)棣教授團(tuán)隊(duì)發(fā)表可穿戴傳感器的最新研究綜述

隨著全球人口的持續(xù)增長(zhǎng)，顯著地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率，以滿足日益增長(zhǎng)的糧食需求。然而，植物表型研究對(duì)于提高農(nóng)作物產(chǎn)量起著關(guān)鍵作用。其中，利用各種數(shù)據(jù)采集工具獲取綜合表型至關(guān)重要。傳統(tǒng)的基于光學(xué)成像的表型技術(shù)，可以獲取植物表型狀態(tài)和動(dòng)態(tài)信息，但該方法也存在空間分辨率低、對(duì)環(huán)境條件敏感等局限。而可穿戴傳感器是一種新興的數(shù)據(jù)收集工具，憑借其高空間分辨率、多功能性、最小侵入性等優(yōu)勢(shì),在植物表型研究中展現(xiàn)出巨大潛力。

2023年7月，Plant Phenomics 在線發(fā)表了南京農(nóng)業(yè)大學(xué)陳發(fā)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(tǒng)總結(jié)了可穿戴傳感器在監(jiān)測(cè)植物表型（伸長(zhǎng)、葉溫、含水量、生物電位、應(yīng)激反應(yīng)等）和環(huán)境參數(shù)（溫度、濕度、光照、農(nóng)藥、有毒氣體等）方面的進(jìn)展，如圖2-圖8是一些穿戴傳感器的示意圖。關(guān)注植物生長(zhǎng)不受干擾、傳感器與植物界面結(jié)合牢固、信號(hào)類型擴(kuò)展、監(jiān)測(cè)范圍擴(kuò)大等方面的挑戰(zhàn),并提出了可能的解決方案。同時(shí)該綜述還指出相比光學(xué)成像技術(shù),可穿戴傳感器具有高時(shí)空分辨率、可檢測(cè)環(huán)境對(duì)表型的影響、野外應(yīng)用準(zhǔn)確率高等優(yōu)勢(shì),在植物表型研究中展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。可穿戴傳感器監(jiān)測(cè)植物生長(zhǎng)節(jié)律、葉片微環(huán)境、含水量變化、生物電位響應(yīng)、應(yīng)激反應(yīng)等方面取得進(jìn)展。
 

本文從材料科學(xué)、信號(hào)傳輸、制造技術(shù)和植物生理學(xué)多學(xué)科視角,系統(tǒng)梳理可穿戴傳感器在植物表型研究領(lǐng)域的進(jìn)展。提出植物生長(zhǎng)不受影響、傳感器與植物結(jié)合牢固等方面的技術(shù)難點(diǎn),為后續(xù)研究提供參考。

圖1用于監(jiān)測(cè)植物表型和環(huán)境的可穿戴傳感器
 

圖2用于測(cè)量植物伸長(zhǎng)的可穿戴傳感器。 (A) 基于 Ti/Au 的可拉伸應(yīng)變傳感器：(i) 應(yīng)變傳感器的數(shù)碼照片，(ii) 附著在大麥植株上的傳感器系統(tǒng)的照片，以及 (iii) 顯示實(shí)時(shí)情況的繪圖測(cè)量大麥植株的葉片伸長(zhǎng)。根據(jù) CC-BY 4.0 知識(shí)共享歸屬許可證的條款進(jìn)行改編。(B) 基于殼聚糖的直寫(xiě)柔性傳感器：(i) 制造示意圖，(ii) 傳感器打印在 2個(gè)黃瓜果實(shí)上（一個(gè)保留在莖上，另一個(gè)與莖斷開(kāi)），用于測(cè)量，以及（iii）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)黃瓜生長(zhǎng)情況。基于石墨/碳納米管的應(yīng)變傳感器：(i) 制造石墨膜 (GM)/碳納米管膜 (CNTM) 應(yīng)變傳感器的關(guān)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(zhǎng)。 (D) 液態(tài)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(duì)長(zhǎng)度和相對(duì)電阻傳感器作為生長(zhǎng)時(shí)間的函數(shù)。
 

圖3 用于測(cè)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(biāo)簽-傳感器節(jié)點(diǎn)：(i) 反向散射通信示意圖，(ii) 傳感器節(jié)點(diǎn)和標(biāo)簽設(shè)計(jì)，以及 (iii) 時(shí)域反向散射信號(hào)和功率電平。傳輸?shù)哪獱査狗��?hào)“.. - - - - - - ..”對(duì)應(yīng)于 28 ℃。經(jīng)許可轉(zhuǎn)載。(B) 基于 ZigBee 的無(wú)線溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)：(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(cè)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(jié)構(gòu)圖，（ii）安裝在葉子下表面的植物干旱傳感器的光學(xué)圖像，以及（iii）煙草對(duì)干旱脅迫的反應(yīng)。根據(jù) CC-BY 4.0 知識(shí)共享歸屬許可條款復(fù)制。(B) 基于 GO 的濕度傳感器：(i) 柔性濕度傳感器的制造過(guò)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(jiān)測(cè)濕度傳感器對(duì)干旱脅迫的電容響應(yīng)。(C) 基于石墨烯的濕度傳感器：(i) 傳感器放置和檢測(cè)機(jī)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自交系 B73 玉米植株灌溉后的相對(duì)濕度水平。(D) 用于跟蹤植物液流的靈活電子傳感系統(tǒng)：(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(xué)圖像，(iii) 示意圖檢測(cè)原理，(iv) 從左到右液流測(cè)量的溫度，(v) 西瓜植株上 3 個(gè)傳感器的布置示意圖，以及 (vi) 3 個(gè)傳感器測(cè)量的液流流速的變化。PET、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯；PTC，正溫度系數(shù)。
 

圖5  用于測(cè)量植物生物電勢(shì)的可穿戴傳感器。(A) 具有 BDD 電極的靈敏植物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：(i) 用于檢測(cè)盆栽仙人掌雜交植物生物電勢(shì)的實(shí)驗(yàn)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(shì)，以及 ( iii) BDD 和 Pt 電極記錄的環(huán)境變化引起的生物電勢(shì)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(hào)11天，（2）11天的降雨量，（3）對(duì)手指觸摸刺激的反應(yīng)，（4）150毫升澆水后的反應(yīng)。根據(jù) CC-BY 4.0 知識(shí)共享歸屬許可證的條款進(jìn)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(guò)程的示意圖，(ii) 測(cè)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(hào)。經(jīng)許可轉(zhuǎn)載。(D) 自粘表面電極：(i) 自粘電極的插圖和圖像，(ii) 應(yīng)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(hào)傷害刺激。根據(jù) CC-BY 4.0 知識(shí)共享歸屬許可條款復(fù)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(yīng)性聚丙二醇（PPG）和疏水性可生物降解聚己內(nèi)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(cè)量植物應(yīng)激反應(yīng)的可穿戴傳感器。(A) 用于檢測(cè)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(duì)傳染性瘧原蟲(chóng)接種的實(shí)時(shí)響應(yīng)。(B) 用于檢測(cè) UVA 照射下植物葉子阻抗譜的傳感器：(i) 傳感器制造和測(cè)量示意圖，(ii) 原始且經(jīng) UVA 照射的玉簪葉子的照片，以及 (iii) 頻率相關(guān)阻抗和（ iv) 原始（綠色）和 UVA 照射（紫色）玉簪葉的相位響應(yīng)。(C) 用于檢測(cè)臭氧氧化下植物葉片阻抗譜的傳感器：(i) 傳感器制造和測(cè)量示意圖，以及 (ii) 不同臭氧濃度下的阻抗和 (iii) 相位響應(yīng)。VHB 膠帶，“極高粘合力”膠帶。
 

 圖7用于測(cè)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(shè)備：(i) 柔性多感官平臺(tái)的制造工藝流程圖，(ii) 集成可穿戴傳感器系統(tǒng)的照片，(iii) 溫度傳感器的實(shí)時(shí)響應(yīng)當(dāng)暴露于溫度分布的局部變化時(shí)，以及（iv）濕度傳感器對(duì)濕度水平變化的實(shí)時(shí)響應(yīng)。根據(jù) CC-BY 4.0 知識(shí)共享歸屬許可證的條款進(jìn)行改編。(B) 具有多個(gè)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(cè)量的多功能葉子傳感器的照片(iii) 環(huán)境溫度和 (iv) 光強(qiáng)度的結(jié)果。
 

圖8用于農(nóng)藥和有毒氣體測(cè)量的可穿戴傳感器。（A）用于監(jiān)測(cè)有機(jī)磷農(nóng)藥的可穿戴傳感器：（i）可穿戴傳感器的制造過(guò)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(jī)磷農(nóng)藥的樣品的方波伏安曲線甲基對(duì)硫磷和不含甲基對(duì)硫磷的對(duì)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(zhuǎn)移到活葉表面的 DMMP 氣體傳感器的照片，以及 (iii) 對(duì)變化的實(shí)時(shí)響應(yīng)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(guò)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(dòng)態(tài)響應(yīng)NO2 氣體傳感器陣列。OPH，有機(jī)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(xué)》（Plant Phenomics）是由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)和美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)（AAAS）合作創(chuàng)辦的英文學(xué)術(shù)期刊，于2019年1月正式上線發(fā)行。采用開(kāi)放獲取形式，刊載植物表型組學(xué)交叉學(xué)科熱點(diǎn)領(lǐng)域具有突破性科研進(jìn)展的原創(chuàng)性研究論文、綜述、數(shù)據(jù)集和觀點(diǎn)。具體范圍涵蓋高通量表型分析的最新技術(shù)，基于圖像分析和機(jī)器學(xué)習(xí)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(nóng)業(yè)實(shí)踐中的表型組學(xué)新應(yīng)用，與植物表型相結(jié)合的分子生物學(xué)、植物生理學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、作物模型和其他組學(xué)研究，表型組學(xué)相關(guān)的植物生物學(xué)等。期刊已被DOAJ、Scopus、PMC、EI和SCIE等數(shù)據(jù)庫(kù)收錄。科睿唯安JCR2021影響因子為6.5，位于農(nóng)藝學(xué)、植物科學(xué)、遙感一區(qū)。中科院農(nóng)藝學(xué)、植物科學(xué)一區(qū)，遙感二區(qū)，生物大類一區(qū)（TOP期刊）。2020年入選中國(guó)科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃高起點(diǎn)新刊項(xiàng)目。

說(shuō)明：本文由《植物表型組學(xué)》編輯部負(fù)責(zé)組稿。
中文內(nèi)容僅供參考，一切內(nèi)容以英文原版為準(zhǔn)。
撰稿：許滸（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)）
排版：向雪薇（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)）
審核：孔敏、王平