自供能可穿戴传感器让植物轻松监测自身健康状况
2026-07-10 11:50:00   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

智能手表能告诉我们人体血氧水平、睡眠质量或每日步数。现在，试想一下植物也能通过可穿戴传感器拥有这种自身监测能力。

当农民发现田里的作物叶片卷曲或生长迟缓时，这些作物可能已经处于逆境中好几天了。一项针对植物“可穿戴”传感器的创新技术旨在更早地捕捉这些植物的求救信号——即在植物出现肉眼可见的受损症状之前，从而让农民能够及时采取措施，帮助作物茁壮成长。

据麦姆斯咨询报道，在塔夫茨大学（Tufts University）近期的一项研究中，研究人员开发出了一种类似纹身的微型传感器，可贴附在叶片表面；同时还设计了一种可伸缩的带状装置，用于包裹植物茎部。这两者协同工作，监测植物生命的两项关键指标：叶片表面的温度与湿度，以及茎部是否仍在生长。更令人瞩目的是，该系统无需外接电池，而是通过收集植物自身蒸发的水分来获取能量。

塔夫茨大学电气与计算机工程教授、该项目资深研究员Sameer Sonkusale说道：“这项技术更宏大的前景不仅仅在于单株植物佩戴各种传感器，而在于未来农田中可能部署植物级的监测网络，每个监测点都能实时报告缺水、盐胁迫、病害或养分失衡的早期迹象。卫星和无人机已经能为农民提供‘鸟瞰视角’，而植物可穿戴传感器则能提供一种更为亲密的视角：‘植物视角’。”

目前的作物监测方法主要利用卫星图像和无人机获取可见光、红外及微波数据，从而绘制出反映作物绿度、生长不均匀度、温度、虫害情况、土壤湿度及其它宏观胁迫指标的图谱。土壤传感器可测量湿度、温度、pH值及部分养分含量；气象站则提供气温、湿度、降雨量、风况及日照等信息。

尽管这些测量手段很有价值，但它们关注的往往是可能影响作物未来的环境条件，或是对已发生损害的评估。“叶片可穿戴传感器更像是一个预警系统，它能在可见症状出现之前，实时反映植物的生理反应。”主导这项研究工作的塔夫茨大学研究生Nafize Hossain表示，“该可穿戴传感器还可扩展用于监测植物健康的其它重要指标，例如关键营养素和植物激素的水平——这些指标是根、叶、茎、果生长以及植物对病原体反应的早期信号。”

这种叶片传感器外观酷似临时纹身，既薄又灵活，能贴合不平整的表面，既不损伤植物，也不妨碍其呼吸或随风摇曳。Nafize Hossain表示：“虽然市面上已有其它植物传感器，但它们监测多种胁迫因素及生长相关参数的能力有限，而且这些技术往往依赖外部电池，这增加了在田间部署的难度。”

研究人员开发的这款可穿戴传感器首先能提供关于“饱和水汽压差（VPD）”的数据。这是一个专业术语，但描述的现象却很直观：即空气从植物体内吸取水分的倾向有多强。当VPD较高时，空气干燥，会更强烈地从叶片中吸走水分。植物的应对方式是关闭气孔——即调节气体交换和水分流失的微小孔隙。此举虽能防止脱水，但也减缓了光合作用和生长速度。

塔夫茨大学研发的这款叶片湿度传感器采用了分离成极薄“纳米片”的五氧化二钒晶体。这些纳米片层叠排列，构成了一层薄膜。此外，还有一层由碳原子构成的石墨烯充当“筛网”，允许水分从植物传导至纳米片。水分通过时会形成离子，在纳米片间流动并产生电流——如此一来，它不仅是传感器，同时也充当了电池。电流强度与空气间的水分交换量成正比。虽然产生的电量极微（仅为微瓦级），但配合低功耗电子元件和储能装置，已足以支持周期性的传感监测。

安装在茎部的可穿戴传感器借鉴了“剪纸工艺（kirigami）”——一种通过折叠纸张使其能以受控方式拉伸和变形的日本艺术。该传感器表面覆盖着一层共晶凝胶（eutectogel），这是一种柔软的离子导电凝胶，其电阻会随茎部的膨胀或收缩而变化。在健康生长状态下，茎部直径通常会增加；而在遭受胁迫时，生长可能减缓，甚至导致茎部收缩。

将安装在叶片和茎部的两种可穿戴传感器结合使用至关重要，因为植物表现出的胁迫反应可能发生在不同的时间尺度上。例如，叶片传感器能反映植物是否正面临导致水分流失的即时环境条件，而茎部生长数据则记录了较缓慢的生物学过程。

在针对甜椒植株的测试中，该可穿戴系统成功区分了健康植株与面临水分亏缺及盐分胁迫的植株。健康植株表现出随时间变化的节律性“饱和水汽压差（VPD）”波动，与空气湿度的正常日变化周期保持一致。

遭受水分胁迫的植株呈现出VPD升高的趋势。遭受盐分胁迫的植株则表现出不同的模式：与对照组相比，其VPD较低，这可能与水分吸收及气孔行为的改变有关。与此同时，茎部传感器监测到了健康植株的生长，以及受胁迫植株出现的收缩或直径减小现象。

这些可穿戴传感器的设计充分考虑了田间环境的需求。叶片传感器能够耐受弯曲和拉伸；茎部传感器则采用了剪纸结构设计，有助于分散应力，并减轻强风等突发扰动带来的影响。此外，该研究团队正致力于开发一套功能完备的无线通信平台，利用LoRa（远距离）或蓝牙通信标准来实现传感器的数据传输。