一种集成的多模态柔性传感器系统

越来越多的生物和非生物胁迫，对植物的生长和产量带来了潜在的威胁。因此，对植物健康状况的准确监测和评估显得越来越重要。但是，传统用于这类测量的传感器通常体积大且笨重，并局限于集中的气候条件，或需要在气体交换室中进行测量。

附着在叶片下的集成柔性传感装置，可以长期监测植物的蒸腾过程

一种策略是利用柔性传感器智能连接植物。不过，由于植物的信号通路相对复杂，因此监测植物的生理信息充满挑战。此外，非生物胁迫因素的同步监测，需要持续、柔性、多功能的传感器系统，以便在没有性能退化和信号串扰的情况下进行长期监测。
 

多模态柔性植物健康监测传感器（左），具有不同功能组件的传感器结构示意图（右）

据麦姆斯咨询报道，近日在ACS Nano上发表的一篇题为《多模态植物健康监测柔性传感器系统》的研究报道中，日本大阪府大学（Osaka Prefecture University, OPU）的研究人员介绍了一种集成的多模态柔性传感器系统，包括一个室内湿度传感器、一个树叶湿度传感器，一个光学传感器和一个温度传感器，能够监测植物潜在的生理健康问题。值得注意的是，通过利用植物蒸腾过程，基于这种“植物-传感器”生物接口，实现了对大果木棉的长期监测（>15天），直观地记录了植物的脱水状况。

这款以堆叠ZnIn2S4（ZIS）纳米片为核心传感介质的柔性传感器，不仅能快速响应（~4 ms）感知光照，而且能以持久稳定的性能监测湿度。由于这是首次将ZIS纳米片应用于湿度传感器，因此，研究人员对其湿度传感机理进行了详细的理论和实验研究。在没有信号串扰的情况下，实时测量了控制植物蒸腾的三种主要非生物胁迫因素：湿度、光照和温度。

（a）顶部、中部和下部三片叶片被监测的大果木棉，（b）相应的实时监测结果，自上而下分别为：室内湿度、温度、光照以及植物湿度。

“很多柔性传感器已经成功应用于人体健康监测，以及人机交互界面。”柔性电子专家Dae-Hyeong Kim教授说：“这项研究提出的用于植物健康状态监测的多模态柔性传感器概念，或将为智慧农业开辟一条新的道路。”

这款多模态柔性传感器的制造过程

该项目负责人Kuniharu Takei教授说：“通过合理选择活性传感材料和电极，我们解决了长期跟踪植物非生物胁迫所需要的传感器性能，并能够进行无串扰的多通道信号采集。”

未来的进一步研究将包括降低柔性传感器系统的厚度和重量，增加传感器功能，以响应其它生物和非生物胁迫因素，以及提高以时空模式解码植物化学信号的能力。另外，还将考量环境气体（如CO2、O2或NOx）对传感器输出的影响。