可伸縮的植物用可穿戴設(shè)備和無人機(jī)投放的智能標(biāo)簽

可伸縮的植物用可穿戴設(shè)備和無人機(jī)投放的智能標(biāo)簽，其目的是幫助農(nóng)業(yè)向大數(shù)據(jù)化方向改造。大規(guī)模地對植株進(jìn)行監(jiān)測的技術(shù)在成本上已經(jīng)變得相對便宜，從2019年開始，將在三個國家的大型溫室或農(nóng)田中對有關(guān)技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。

這一想法來自沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學(xué)（KAUST）的一些研究人員，他們擁有柔性電子技術(shù)方面的專業(yè)知識。與在溫室中培育基因工程植物的同事交談之后，他們認(rèn)識到需要可大規(guī)模部署并能報(bào)告每株植物的情況的便宜傳感器。他們早期的產(chǎn)品包括用于測量植物生長過程中的微米級變化的可伸縮傳感器以及可通過無人機(jī)投放、在空中螺旋式下降而落到植物上去的“PlantCopter”溫度和濕度傳感器。

KAUST電氣工程教授Muhammad Mustafa Hussain說：“得益于其設(shè)計(jì)架構(gòu)，在部署PlantCopter時(shí)，它們會戰(zhàn)略性地附著到植物的葉子上。很顯然，并不是每一個PlantCopter都能附著到植物上，但考慮到它們的低成本，非100%的附著率也還是可以接受的。”

Hussain及其同事們的愿景是通過便宜的生物可降解材料和低功耗的藍(lán)牙無線通信技術(shù)，將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用到植物上去。他們的研究成果于2019年9月10日在線發(fā)表在了npj Flexible Electronics期刊上，其第一作者為目前在加州理工學(xué)院任博士后研究員的Joanna Nassar。

市場上出售的很多農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)往往采用經(jīng)過廣泛訓(xùn)練的計(jì)算機(jī)視覺相機(jī)系統(tǒng)來監(jiān)測植物生長，以及插在土壤中的棒狀傳感器來測量諸如溫度、濕度等的環(huán)境條件。但是這些設(shè)備往往是要么能力不足以監(jiān)測植物和環(huán)境條件的較微小變化，要么對于許多農(nóng)場主來說太昂貴而無法大規(guī)模使用。

“你能在Home Depot或Amazon上買到的植物監(jiān)測系統(tǒng)都是相當(dāng)昂貴的，而且你必須走遍整塊田地，把它們一個個放置好，否則它們不能進(jìn)行通信”。Hussain解釋說?！爱?dāng)它們在通信方面變得更聰明時(shí)，價(jià)格就會上漲?！?/p>

KAUST開發(fā)的這兩種傳感器依賴的都是一個低功率系統(tǒng)，在早期實(shí)驗(yàn)室測試中該系統(tǒng)每兩秒記錄一次數(shù)據(jù)，平均待機(jī)時(shí)長為151天。該系統(tǒng)由一個小型可充電鋰離子電池和一個可編程片上系統(tǒng)組成，后者具有可用于記錄和存儲數(shù)據(jù)的256kB內(nèi)部閃存。藍(lán)牙芯片使傳感器能夠?qū)?shù)據(jù)傳輸?shù)礁浇臒o人機(jī)或智能手機(jī)上。

首先，研究人員發(fā)明了一種植物用可穿戴傳感器，這種傳感器由聚合物和很薄的金色金屬薄膜制成，可以靈活地附著在植物的任何位置。他們在大麥和富貴竹上進(jìn)行了幾個小時(shí)或幾天的試驗(yàn)，測試這種可伸縮的應(yīng)變式傳感器，以證明它們能夠探測到即使是最微小的生長變化。

其次，該研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一種3D打印的、可以從無人機(jī)上大量投放下來的溫度和濕度傳感器。發(fā)明PlantCopter傳感器的靈感來自會像微型直升機(jī)一樣漂浮在空中的蒲公英種子和楓樹種子。這種設(shè)計(jì)可以以最小的努力實(shí)現(xiàn)傳感器的廣泛散布，而用于測量植物生長情況的植物用可穿戴設(shè)備仍須以手工方式將其附著在植物上。

初步的演示表明，在PlantCopter從50英尺的高度降落并著陸到地面上時(shí)，該團(tuán)隊(duì)可以用智能手機(jī)與之保持藍(lán)牙連接。但是，他們還沒有對通過無人機(jī)大規(guī)?？胀禤lantCopter的這種更大膽想法進(jìn)行試驗(yàn)。

盡管如此，該團(tuán)隊(duì)還是計(jì)劃在2019年4月之前開發(fā)出一種既具有足夠電池壽命又具有一定自主能力的無人機(jī)來履行空投職責(zé)。這一時(shí)間表恰好與在印度、斯里蘭卡和贊比亞這三個國家進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)的計(jì)劃相吻合。

所有那些關(guān)于單個植物傳感器的討論似乎都微不足道，但將這些傳感器大規(guī)模投放和綜合起來使用的話，這些傳感器或類似的解決方案可能會成為席卷整個農(nóng)業(yè)的大數(shù)據(jù)革命的一部分。為了通過精心部署的無人機(jī)、機(jī)器人設(shè)備和智能傳感器來提高生產(chǎn)力，農(nóng)場主們將需要盡可能多的細(xì)粒度數(shù)據(jù)來了解田地上正在發(fā)生的事情。

Hussain說：“我的首要目標(biāo)是收集大量數(shù)據(jù)并將人工智能注入其中，這樣無人機(jī)就可以做出實(shí)時(shí)決策，如視需要施肥撒藥。我的愿景是將生產(chǎn)力提高哪怕百分之一，我認(rèn)為那就能養(yǎng)活更多的人。”