自適應(yīng)繞組應(yīng)變（AWS）仿生傳感器可穿戴集成系統(tǒng)助力植物“脈搏”監(jiān)測

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，浙江大學(xué)的科研人員開發(fā)了一款基于自適應(yīng)繞組應(yīng)變（AWS）傳感器的植物可穿戴集成系統(tǒng)（IPWS），用于植物“脈搏”監(jiān)測。該項(xiàng)研究成果以“An integrated and robust plant pulse monitoring system based on biomimetic wearable sensor”為題發(fā)表在《npj Flexible Electronics》期刊上。

有研究表明，植物的生長過程類似于人體脈搏的收縮和擴(kuò)張過程，表現(xiàn)為植物莖干在白天和夜間的收縮和擴(kuò)張。植物莖干的反復(fù)擴(kuò)張會引起植物生長。實(shí)際上，植物脈搏與植物對水分的吸收和蒸騰有關(guān)。白天，植物葉片上大部分氣孔張開，葉片蒸騰的水分大于根系吸收的水分，此時(shí)，莖干的直徑幾乎沒有變化，甚至?xí)s小。夜間，當(dāng)葉片上的氣孔關(guān)閉時(shí)，植物從根部吸收的水分多于葉片蒸騰的水分，莖就會膨大。缺水時(shí)，莖明顯收縮。因此，通過監(jiān)測植物脈搏可以了解植物生長與水分供應(yīng)之間的關(guān)系。

目前應(yīng)用于植物脈搏監(jiān)測的傳感器主要是線性可變差動變壓器（LVDT）傳感器。植物幼苗的健康生長是坐果和產(chǎn)量的基礎(chǔ)，但LVDT傳感器體積大、笨重且不易固定，還對植物有預(yù)緊力，所以不適合植物幼苗的監(jiān)測。

為此，浙江大學(xué)的科研人員開發(fā)了一款基于自適應(yīng)繞組應(yīng)變（AWS）傳感器的植物可穿戴集成系統(tǒng)，用于無線監(jiān)測植物脈搏（如下圖a）。IPWS由AWS傳感器、柔性印刷電路和智能手機(jī)APP（應(yīng)用程序）顯示界面三個(gè)模塊組成。其中，最核心的部分AWS傳感器的設(shè)計(jì)靈感來自于植物卷須，AWS傳感器可以自適應(yīng)地纏繞在番茄莖干上，無需任何漿糊或粘合劑。這種仿生卷須結(jié)構(gòu)將直接拉伸產(chǎn)生的應(yīng)變效應(yīng)轉(zhuǎn)化為曲率效應(yīng)，避免了應(yīng)變不足導(dǎo)致裂紋甚至斷裂。此外，AWS傳感器因其蛇形設(shè)計(jì)而具有抗溫度干擾的能力，實(shí)現(xiàn)了對植物脈搏的長時(shí)間、抗干擾監(jiān)測。植物莖干的膨大和收縮變化刺激AWS傳感器的電阻產(chǎn)生相應(yīng)的變化，IPWS可以記錄電阻變化數(shù)據(jù)，并將電阻變化數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)?a href="http://wenjunhu.com/v/" target="_blank">智能手機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，IPWS可以準(zhǔn)確監(jiān)測植物脈搏，從而診斷番茄植株的生長和水分狀態(tài)。

用于植物脈搏監(jiān)測的可穿戴集成系統(tǒng)

番茄莖干表面有致密的腺毛和精油，不利于柔性可穿戴傳感器的固定。而植物卷須可以纏繞在寄主植物的莖干上，卷須螺旋線的曲率會隨著植物莖的膨脹和收縮而變化，但不影響寄主植物的正常生長。對植物卷須的相關(guān)研究證明，卷須凹面比另一側(cè)的木質(zhì)化程度更高，這使纖維界面的應(yīng)變失配，導(dǎo)致其卷曲。根據(jù)這一機(jī)制，科研人員設(shè)計(jì)了具有仿生卷須結(jié)構(gòu)的植物可穿戴傳感器，該傳感器無需任何固定裝置或者膠帶，即可自適應(yīng)地纏繞在番茄莖干上（上圖a）。

人體可穿戴無線傳感器系統(tǒng)通常與藍(lán)牙通信集成。但是，藍(lán)牙無線傳輸無法實(shí)現(xiàn)對田間植物的遠(yuǎn)程、大規(guī)模監(jiān)控。為此，研究人員設(shè)計(jì)并制作了具有WIFI無線數(shù)據(jù)傳輸功能的柔性印刷電路板，實(shí)現(xiàn)AWS傳感器與智能手機(jī)之間的無線通信。

植物的生長需要特定的環(huán)境條件，例如充足的光照、適當(dāng)?shù)臐穸群蜏夭?。因此，與其它用于動物和人類的可穿戴傳感器不同，科研人員必須考慮環(huán)境因素對植物可穿戴傳感器性能的影響。在該項(xiàng)研究中，科研人員通過將AWS傳感器纏繞在玻璃棒上，在人工氣候箱中進(jìn)行測試，研究了溫度、濕度和光照對傳感器性能的影響。

AWS傳感器的抗環(huán)境干擾性能

AWS傳感器可以自適應(yīng)地纏繞在番茄莖干上，如下圖a所示。當(dāng)植物的蒸騰速率高于根系吸水速率時(shí)，莖收縮。反之，莖膨大。因此，番茄的脈搏可以反映其水分狀況。通過將AWS傳感器集成到IPWS中，可以將響應(yīng)信號無線傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)?？蒲腥藛T采用一組高度為25cm的番茄幼苗進(jìn)行實(shí)體監(jiān)測。IPWS用于監(jiān)測番茄幼苗離地15cm處的莖粗變化量（SDV）。商用LVDT傳感器作為對比參照，用于驗(yàn)證IPWS的實(shí)用性和準(zhǔn)確性?？蒲腥藛T將LVDT傳感器通過橡皮筋固定在番茄幼苗莖干上離地10?cm處，用另一個(gè)支架保持其穩(wěn)定性，這對番茄幼苗來說難度較大。該傳感器完全無法固定在彎曲而纖細(xì)的莖干上。相比之下，IPWS更容易固定在任何番茄莖干上，無需任何橡皮筋或膠帶，如下圖b所示。

植物脈搏的活體監(jiān)測

綜上所述，受自適應(yīng)繞組植物卷須的啟發(fā)，浙江大學(xué)的科研人員開發(fā)了一款基于自適應(yīng)繞組應(yīng)變（AWS）傳感器的植物集成可穿戴系統(tǒng)（IPWS），用于植物脈搏監(jiān)測。IPWS由AWS傳感器、柔性印刷電路和智能手機(jī)APP顯示界面三個(gè)模塊組成。其中，核心部分AWS傳感器可以自適應(yīng)地纏繞在番茄莖干上。更重要的是，AWS傳感器采用蛇形激光誘導(dǎo)石墨烯，表現(xiàn)出出色的抗溫度干擾能力，耐溫系數(shù)為0.17/°C。該項(xiàng)研究表明，IPWS可以穩(wěn)定、高保真地監(jiān)測植物脈搏，并能實(shí)時(shí)反映番茄植株的生長和水分狀態(tài)。