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，顯著地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率，以滿足日益增長的糧食需求。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、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�？纱┐鱾鞲衅鞅O(jiān)測(cè)植物生長節(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。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），用于測(cè)量，以及（iii）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)黃瓜生長情況。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。 (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)長度和相對(duì)電阻傳感器作為生長時(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年入選中國科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃高起點(diǎn)新刊項(xiàng)目。

說明：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