在全球人口快速增长背景下,预计到2050年全球农作物需求将比2018年增加59%~102%,这意味着全球粮食产能亟待实现倍增目标
[1]。然而,由生物胁迫和非生物胁迫作用导致的作物损失已构成全球性农业危机,并造成了严重的作物损失问题。就胁迫类型而言,植物在整个生命周期中既面临病害侵染、虫害侵袭等生物胁迫,也承受着盐碱化、极端温度、水分失衡等非生物胁迫的复合压力,这些因素通过影响作物的生理代谢和生长发育,最终导致农作物产量损失和品质下降
[1]。
在此背景下,整合环境感知、数据分析和智能决策技术,构建起覆盖植物全生命周期的动态监测体系十分必要,即发展智慧农业与精准农业等新型生产模式。作为现代农业发展的高级形态,智慧农业、精准农业囊括数字化基础构建、网络化信息互通到智能化自主决策的三阶段
[2],其中数字化基础构建和网络化信息互通主要依靠各种传感器数据和传输技术。因此,在智慧农业技术体系中,传感器网络作为关键基础设施在精准农业中发挥着核心作用
[3]。通过部署传感器可实时获取植物光合效率、蒸腾速率、氮磷钾吸收率、挥发性有机物等多项生理参数,构建植株-田块-区域三级数据模型。
当前植物表型监测技术涵盖遥感、机器人、计算机视觉及无人机等方式进行光谱或者图像采集,能获取大面积的作物信息,但因拍摄距离和角度问题导致其空间分辨率有限,对于作物个体的细微特征,特别是动态监测能力上存在不足。此外,以上技术难以实现植物内部生理状态精准捕捉,不能分辨多胁迫条件下对植物的独立影响,因此在与植物基因型研究关联上相对薄弱
[4]。当前农业传感监测主要采用刚性或侵入式传感器,但这类传感器因材料特性限制,在植物表型监测中存在显著缺陷。其较差的形变能力导致其与植物表面贴合度不足,在长期使用过程中易发生脱落,在植物和电子设备界面之间机械失配,导致测量误差
[5]。更严重的是,刚性传感器会限制植物自然生长运动,持续压迫可能造成组织损伤,密闭式封装还会阻碍表皮透气透水,导致接触区域生理代谢异常甚至坏死
[6]。此外,传感器的侵入式探针在植入过程中不仅会破坏植物组织结构,干扰正常生长发育,还会激活植物应激修复机制,致使监测数据偏离真实生理状态。这些缺陷使得传统刚性传感器难以满足现代农业对植物生理信息长期原位监测的核心需求,即在不干扰生物体正常生命活动的前提下,实现定点、连续、无创的数据采集。
近年来,植物可穿戴柔性电子传感器技术取得突破性进展,其通过柔性基底与仿生结构设计,成功实现了对植物生理和环境信息的动态监测与交互调控。柔性植物可穿戴传感器可直接贴附在植物表面,近距离感知植物的各种参数,精准获取植物生理状态的细微变化,如茎液流、叶片细胞内的离子浓度变化等,具备无创、原位动态追踪与抗干扰性强特点。这类传感器不仅能精准捕获植物生理电信号、蒸腾速率等生命体征,还可同步感知周围温度、湿度、光照等微环境参数,部分先进系统甚至能通过电、光刺激调控植物生长节律,实现对植物生长的主动控制。作为智慧农业的核心感知层,植物柔性传感器可为作物表型组学研究提供了原位、实时的多维数据流,显著提升了逆境胁迫预警和精准农事决策的时效性,极大地促进了智慧农业的发展
[1]。
植物柔性传感器凭借轻型化、透气性及高共形贴附特性,可在不损伤生物体的前提下实现植物生理-环境信息的原位实时监测与动态解析。因此,现聚焦植物柔性传感器体系进行综述,系统梳理其技术进展:首先从化学物质传感、水分运移监测、生长形变追踪、微气候感知(温/湿/光)、果实成熟度分级等维度,解析典型材料(如石墨烯基复合材料)的制备工艺及其在植物表型监测中的应用。进一步探讨柔性传感器的无线信号传输与供能方案,并对比分析现有技术的优劣特征及未来发展趋势。简要讨论下一代智能植物传感器在智能农业中的发展瓶颈和机遇,提出面向精准农业需求的突破方向与技术路线,为推进植物表型监测技术创新提供研究参考。
1 植物柔性传感器的常用材料与制备技术
柔性可穿戴传感器的核心架构由3个模块构成:柔性衬底(可弯曲/可拉伸衬底)、感测元件与生物兼容性封装材料。其典型结构通常采用三明治构型
[7],其详细组件如
图1所示。第1层包括衬底材料,通常由具有高弹性应变极限的材料制备,例如聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)以及水凝胶等。其中,PDMS凭借优异的疏水性、透气性、透光性及生物相容性成为最常用可拉伸基底。另外,Hao等
[8]通过将聚己内酯[poly(ε-caprolactone)/polycaprolactone,PCL]与PDMS嵌段复合制备出兼具室温自修复性和高效可回收特性的新型PU弹性体,并基于此弹性衬底结合导电油墨(PEDOT:PSS)构建了柔性电子传感器,获得优异的自修复性和传感性能。水凝胶则依托三维交联网络和动态可逆键设计,可实现200%~1 500%宽域拉伸、自修复功能及无金属化导电特性,其类生物组织模量和水合界面特性可有效降低植物长期监测损伤
[9]。聚酰亚胺(pyralene,PI)作为典型可弯曲材料,具有高韧性、耐高温和激光诱导石墨烯(laser induced graphene,LIG)原位制备优势,在压力、温湿度传感器领域应用广泛。例如,南京大学余林蔚团队开发的PI基硅纳米线应变传感器阵列展现出高灵敏度系数和高循环稳定性,性能优异
[10]。近年来,随着材料创新呈现生态化趋势,纤维素、木质素、花粉和植物叶片
[11]等环境友好型生物基材料通过结构设计与功能化改性可实现可降解性与生态兼容性。衬底材料的创新正从传统合成聚合物向生物基复合体系拓展,以平衡机械性能、环境适应性与生态可持续性。第2层为传感材料(包括金属、碳基、纳米材料和导电聚合物等),传感器的性能主要取决于其所选择的功能材料
[12]。金属材料(如金、银等)虽具备高导电性,但高杨氏模量易引发其在柔性基底上断裂,形成微结构缺陷
[13]。碳基纳米材料(石墨烯、碳纳米管等)和金属纳米材料(金纳米颗粒、银纳米线等)通过微纳加工技术形成柔性导电网络,兼具高电导率与延展性,结合印刷、激光直写工艺和溅射、蒸发等微纳加工技术可实现目标信号的高时空分辨率、高灵敏度检测。导电聚合物(如聚苯胺)及其复合体系通过在其绝缘聚合物基体中构建导电网络或进行有效的相态调控,从而在保有材料本征柔韧性的同时,显著优化了电荷传输效率。这些材料实现了从高精度生理信号采集到环境适配的系统性解决方案,推动植物健康监测向智能化、精细化发展。第3层由封装材料(包括液体聚合物和柔性聚合物片材等)和传输电子器件组成。封装材料与基底材料共同构成器件防护体系,通过保形封装技术将传感元件和导电电极嵌入夹层结构,抵御复杂环境对功能层的侵蚀。为实现系统集成,在数据传输方面需集成柔性电路和无线、有线通信模块,定制化设计使其与手机、电脑等终端实时交互,形成闭环监测系统
[14]。随着植物可穿戴器件在田间动态形变环境中的规模化应用,未来封装材料将向多功能复合体系发展:既要适应极端温湿度变化,又需集成自修复特性以应对机械损伤,同时开发可降解自修复生物基封装膜将成为生态友好型传感器的重要演进方向。
植物柔性传感器的制备主要分为柔性薄膜制备与微纳图案加工两大核心环节。薄膜制备的技术主要包括旋涂法、溅射沉积法、蒸发沉积法、溶胶-凝胶法、化学气相沉积法等。在柔性薄膜制备中,旋涂法因其操作简便、成本低廉成为最常用技术,适用于在平坦衬底上通过高速旋转基片实现聚合物溶液的均匀成膜,但其材料利用率较低,且不适用于非平整表面
[15]。溅射沉积法需在真空环境下用高能粒子轰击靶材,使材料原子沉积成膜,所制备的导电层具有致密均匀、基片附着力强的特点,已广泛应用于植物传感器电极层构建。例如,Nassar等
[16]在PDMS薄膜上沉积Au,制备了一种可拉伸应变传感器,通过伸长定量监测植物生长。化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)技术通过气相反应在基底表面形成薄膜,其优势在于成分可控性和优异的均匀性。传统热CVD依赖高温(500~1 200 ℃)以促进前驱体分解与晶体生长,广泛应用于石墨烯、碳纳米管等高质量材料制备,但高温环境严重限制了基底选择,无法兼容柔性聚合物这种不耐高温的材料。等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)通过等离子体激发反应气体活性,将沉积温度大幅降低至200~400 ℃甚至更低,成功实现SiN、非晶碳膜等在PI、PET等柔性基底上的低温沉积。金属有机物化学气相沉积(metal-organic chemical vapor deposition,MOCVD)则针对GaN、ZnO等化合物半导体,通过精确调控前驱体与温度参数实现晶体生长,其具体温度窗口因材料体系差异而灵活调整。微纳图案的制备包括光刻、印刷、打印以及卷对卷图案的制备等。光刻技术作为集成电路核心工艺,能以亚微米级分辨率制备复杂微结构,显著提升传感器的检测精度。丝网印刷虽受限于数十微米的图案精度,但其曲面印刷能力与低成本特性在大面积传感器阵列制造中优势明显;而软刻蚀、纳米压印等工艺则在分辨率与成本间取得平衡。面向规模化生产需求,卷对卷技术通过连续卷材处理可实现高效率、低成本的柔性电子制造,有力推动了植物监测网络的大面积部署。此外,一些新型微纳加工技术的涌现进一步推动了植物传感器的功能集成与性能提升。例如,激光直写技术通过高精度激光器(如CO
2或紫外激光)对功能材料进行局部热解或烧蚀,可直接在聚酰亚胺(pyralene,PI)等富碳基底上制备石墨烯微纳图案,利用其热阻等特性构建柔性植物温湿度传感器;气动直写技术则采用气动驱动系统,通过精确调控机器人运动轨迹与特制油墨挤出速率,实现复杂微纳结构的可控沉积
[17]。
新型功能材料的突破正推动植物电子器件向柔性化、可拉伸化、超薄轻量化等方向发展,可显著提升器件与植物动态曲面的适形贴合能力与信号保真度,同时推动了可降解自修复封装系统、自供电系统的发展。这些进展不仅降低了长期原位监测对植物的损伤,更解决了野外能源供给与生态兼容性难题,最终为构建非侵入、高精度、可持续的智慧农业感知网络奠定了坚实的硬件基础。
2 植物柔性传感器应用
柔性可穿戴电子器件的设计需在多学科协同优化中构建力学适配性与功能稳定性动态平衡体系,通过仿生力学结构(如超薄层状架构、分形电路布局)匹配生物组织模量,使其在毫米级曲率表面(如人体关节、叶片表皮)实现共形接触,并在维持其电学和传感性能稳定性的同时保障动态变形适应性(如连续弯曲后传感器监测准确性)与生物界面安全,最终实现器件在连续变形工况下的稳定信号捕获与生物相容性保障
[18]。针对植物应用场景,其器件开发需兼顾功能性与生态适配性双重目标:在实现电信号精准监测的基础上,通过光谱选择性透光、仿生气孔透气及生物兼容设计维持植物光合效率与代谢气体交换,建立器件与植物表皮的共生兼容体系,确保穿戴状态下植物的正常生理活动不受干扰。就应用场景而言,现阶段植物柔性传感器的研发主要聚焦于五大应用场景,如
图2所示。其中,植物生理与微气候传感器用于监测植物水分温度等信息,解析其生命活动规律;植物生长传感器关注茎秆与果实等的物理膨大;果实成熟度传感器致力于果实成熟度的分级检测;挥发性有机化合物(volatile organic compounds,VOCs)传感器通过监测植物叶片等部位的挥发性有机物,借此判断植物是否遭受病虫害。而集成式多模态传感器则集温度、湿度、光照等环境参数与植物生理指标于一体,可实现多功能实时监测。
2.1 植物生理与微气候传感器
植物生理学是研究植物的功能和行为,通过解析植物的生命活动规律,包括光合作用、蒸腾作用、呼吸作用等核心代谢过程,以及植物与环境间的动态信息交互。在植物生存与生产中,湿度、温度、光照等微气候参数作为关键非生物因子,直接调控其生理稳态
[19]。部分敏感物种甚至会因微气候的波动(如短暂温湿度失衡或光照异常)触发应激反应
[20]。可穿戴植物传感器利用光学、电容及压阻等多种感知机制,能够实时捕捉气孔开合、蒸腾速率等生理参数的细微变化。这些数据可通过闭环反馈系统动态调节局部温湿度与光照强度,实现植物生长微气候的精准调控。因此,监测和调节植物所处的局部环境条件,对于提升植物生产力具有显著意义。
2.1.1 植物水分湿度传感器
水作为生命活动的核心要素,不仅是物质代谢的基础载体,更是养分运输与蒸腾作用的关键介质。
图3所示为监测植物茎流和水分的意义与作用,精准监测植物水分对解析植物生理状态,优化农业灌溉、预警干旱胁迫、实施精准施肥及抗旱育种等具有多重价值。通过茎流传感器和电容式湿度传感器实时采集水分动态数据,可构建干旱胁迫预警机制,提升植物抗旱能力
[21]。这类技术将植物生理学研究与农业实践紧密结合,从精准田间管理到高效用水,为农业可持续发展提供了创新路径。
当前植物水分监测技术主要聚焦两个核心方向:一是通过茎流检测追踪蒸腾液流动态,该方法通过侵入式或非侵入式传感器直接检测茎秆内蒸腾作用驱动的液流速率(茎流速率);二是利用柔性传感器捕捉气孔蒸腾相关参数(如叶片表面相对湿度),该方法是在叶片气孔处部署叶片柔性适形传感器,通过监测气孔蒸腾产生的水分湿度变化来获取数据。
表1总结了植物水分湿度传感器件制备材料、制备方式、测量原理等要素。
植物茎流监测的直接方法主要分为热平衡法、热脉冲法和热扩散法3大类,如
图4(a)所示。热平衡法由Sakuratani
[22]于1981年首次提出,Weibel等
[23]对其进行改进。该方法并不需要插入植物茎秆内部,不会对植物造成伤害,成为目前商用传感器中针对细茎秆植物(直径<12 mm)的主流检测方法。其基本原理是通过在植物茎秆表面包裹电加热膜和隔热层,通过计算分解加热膜产生的总热量耗散途径,依据加热膜上下游温度梯度和液流的比热,基于总热量平衡方程反推出液流带走的热量表征液流大小。该方法最大优势在于非侵入式测量,避免了传统探针穿刺对植物的损伤。然而实际操作中隔热要求较高,且需预先校准比热参数,导致安装复杂性和应用局限性。因此,该方法更适用于茎秆形态规则、环境受控的苗圃或温室细茎作物。热脉冲法最早由德国植物生理学家Swanson
[24]提出,该方法通过在植物茎秆内插入热源探针,并在其上下游4~30 mm处插入温度传感探针,通过监测上下游温度变化反推茎流速率。但早期侵入式测量技术造成的植物组织损伤,导致测量误差。尽管学者通过建立数学模型引入伤口补偿公式,但植物因伤效应在长期监测中仍会随植物伤口动态变化而加剧偏差
[25]。因此,这类传感器适用于大型木质类植物茎流监测。现阶段已发展出非侵入式液流传感器。浙江大学刘湘江团队
[26]基于热脉冲法原理,创新性地将温度传感集成于PDMS-Cu-PI结构之间,成功创制一种非侵入式植物茎流传感器,如
图4(b)所示。该传感器为柔性结构设计,兼具透气、透水、透光特性,在不损伤茎秆前提下,实现了对茎秆液流速率的连续原位监测。这类传感器也适用于设施农业中的果菜类细茎作物。热扩散法核心原理是通过测量茎秆内热量随液流的扩散特性反推茎流量。在植物茎秆上下游相距10~15 cm处分别植入两个探针:上游探针内置温度检测和加热元件,下游探针仅作温度检测。探针通电产热时,茎秆液流会携带热量向植株顶端移动,导致加热探针的温度低于无液流时的基准值,使得上下游温差绝对值减小,且呈现出茎流越大温差越小的负相关规律。在林业生态水文研究中,热扩散法(如Dynamax公司TDP系列)广泛用于松树、橡树等胸径>10 cm乔木的长期蒸腾监测,但其标定依赖木质部结构参数。这种方法也会对植物造成损伤,在跨树种应用时需重新建立经验公式。此外,该方法对低液流速率敏感度不足,不适用于休眠期或严重干旱条件下的精准测量。因此发展高灵敏度、宽检测范围的非侵入式加热与检测手段是准确测量关键
[1]。
除监测茎秆液流外,监测叶片气孔逸出的水分是间接评估植物水分状态的另一有效途径。植物在干旱胁迫下通过调节气孔开闭维持水分平衡,其蒸腾作用强度可反映在叶片表面湿度变化上。基于此原理,研究者开发了多种非侵入式传感器。Atherton 等
[27]率先利用薄膜热电偶测量双节点温差,建立了与叶片相对含水量的关联模型。然而,其初代柔性传感器需要外力固定于叶片,柔性与贴合性不足。随后,文献[
28]以金为功能材料,以聚酰亚胺(pyralene,PI)为衬底构建电容式湿度传感器,并使用柔性 PET 基底将传感器黏附在叶片上,实现了柔性化,制备流程如
图5(a)所示。该传感器通过介电常数变化将叶片湿度转化为电信号,当相对湿度从 55% 升至 90% 时,电容值由 2.72 pF 激增至 206 pF,灵敏度跨越两个数量级,并集成蓝牙模块实现无线数据传输,为智能农场提供实时监测方案。随着激光诱导石墨烯(laser induced graphene,LIG)技术的发展,浙江大学平建峰课题组
[29]利用该技术,在聚酰亚胺(PI)薄膜上一步法制备出叉指电极(interdigital electrode,IDE)结构,开发出一种兼具湿度传感与柔性贴附功能的复合传感器,如
图5(b)所示。该器件以 PI 薄膜同时作为 LIG 前驱体、衬底和湿敏材料,简化了制备流程。其基于氧化石墨烯(graphene oxide,GO)的敏感层具有高灵敏度,能够无接触感知湿度变化,并自适应贴合叶片表面进行原位监测。尽管可穿戴传感器在植物生理信息监测领域潜力巨大,其对植物健康的潜在影响仍需明确。针对此挑战,平建峰团队
[30]进一步开发了一种柔性可穿戴电容传感器,如
图5(c)所示。其采用磁控溅射法在 PET 柔性基底上制备纳米金(AuNPs)耐磨电极,经激光切割形成共形贴附叶片表面的双电极结构,如
图5(c)所示。该传感器在不同温度、湿度、风速、光照及弯曲程度下的电容值和相对电容变化表明该传感器在各种环境下具有出色的稳定性和柔性,具备实时监测叶片电容的潜力。相较于传统刚性、不贴合组织、易损伤植物的电极,该研究提出的可穿戴电极能在不损害植物组织的前提下,实时、精确监测叶片电容,展现了在无损监测植物健康状态方面的广阔应用前景。
2.1.2 温度传感器
在农业中,土壤温度直接影响种子萌发、开花结果等植物生理过程,并通过调控微生物活性和化学反应(如有机质分解、养分转化)间接影响植物生长
[31]。同时,通过持续追踪叶片温度反演蒸腾作用强度,用于优化灌溉、预警霜冻或高温胁迫,并与温室系统联动实现精准通风遮阳。在科研上,该技术有助于解析温度对光合、呼吸代谢通量的调控机制,并通过局部温度异常识别病害早期迹象。在生态监测领域,则能构建植物表型与气候变化的长期动态关联模型,支撑生态系统适应性研究。柔性温度传感器凭借优异的拉伸性和生物相容性,成为精准农业和植物科研的关键工具。它们通常由石墨烯、导电聚合物、水凝胶或纳米纤维素等柔性超薄材料制成,能紧密贴合植物器官,通过热敏电阻、热电偶或红外传感等技术实时捕捉温度变化
[32],并利用蓝牙、Wi-Fi等无线技术将数据上传至云端。
表2总结了部分植物柔性温度传感器传感器件制备材料、制备方式、测量原理等要素。传统传感器通常为硬质刚性器件,一般采用NTC/PTC热敏电阻、分压电阻、模数转换器、主控芯片、供电电池等硬件构成,可实现较高精度的数据采集
[33]。然而,刚性传感器难以贴合植物表面复杂且易损伤的组织,在持续监测中可能限制植物正常生长并影响测量准确性,因而并不适用于活体植物的长期温度监测。例如,Drew等
[34]开发了一种基于长波长红外摄像机的刚性植物温度传感系统,集成标定功能与热成像技术,能高精度捕获视场内植物温度,如
图6(a)所示。该传感器可区分作物与非作物区域,排除阴影和土壤干扰,精准定位目标作物温度检测区域。但这类传感器难以适配植物体的粗糙表面,生物相容性差
[16]。为此,Dong等
[35]开发了两种面向不同植物器官的柔性温度传感器,如
图6(b)所示。针对叶片监测,设计的传感器以 PDMS 多孔基底为柔性衬底,用 PI 双层封装包裹 Au 功能层,厚度仅 0.35 mm、重27 mg,对叶片接触压力小。其核心是四圈蛇形金膜构成的功能层,使用40 μm 宽的金膜配合1 000 μm 宽基底形成的应变隔离区,确保电阻变化仅反映温度信号。针对果实表面曲率复杂特性,Dong等
[35]开发了一种以 PDMS 为基底,采用两层 PI 封装结构的水果温度传感器。功能层由3圈30 μm 宽蛇形金膜构成。该传感器具有超薄、轻量化、自适应贴合球形表面等特点,能精确捕获水果表皮微环境温度动态。两类传感器通过材料创新与结构优化,突破了传统平面电子器件在植物表面的适配限制,适用于果实表面积较大、曲率变化明显的果树或蔬菜作物。
石墨烯凭借高达 5 300 W/(m·K) 的热导率以及灵敏的线性热阻响应特性,在温湿度监测领域得到广泛应用,目前众多研究借助其实现了对温度分布的精准可视化监测。在农业食品检测领域,温度是表征食物新鲜度的关键因素之一,温度的微小变化都能显著影响其新鲜度。微生物的繁殖速率以及食物内部生物化学反应的速率均与温度密切相关,温度越高,微生物繁殖和化学反应速度越快,羊肉新鲜度下降越迅速,同时微生物活动还会使食物温度升高。因此,连续精准监测羊肉表面的温度变化对于评估其新鲜度至关重要。
图7(a)所示为中国农业大学张小栓团队
[36]基于激光直写技术通过热还原氧化石墨烯制备了一种低成本柔性阻抗/温度电极,结合机器学习构建新鲜度预测模型,通过建立阻抗和各种新鲜度指标之间的关系,实现了对羊肉品质的评估,平均准确率达到91.63%,效果显著优于传统刚性传感器。为优化性能并解决石墨烯温敏器件热膨胀应力问题,该团队进一步创新引入激光辅助热还原技术
[37],直接在PI薄膜上形成rGO温敏层,制备出用于鱼肉新鲜度无损检测的共形温度/阻抗传感片,结构
图7(b)所示,实现了低温精确监测与阻抗间接评估新鲜度。该柔性传感架构扩展性强,通过与柔性电路集成,适用于肉类、果蔬等食品的全链条智能化质量监控。
2.2 植物生长传感器
植物生长是细胞生长和细胞分裂共同作用的动态过程,具体表现为器官膨胀或茎秆伸长等机械形变,可通过基于压阻、电容及压电等原理的应变传感器进行监测(
表3)。在智慧农业中,实时追踪植物茎秆高度、叶片长度及果实生长速率等参数对提高作物产量至关重要
[38],但传统监测手段(如图像处理等)范围大、精度低、难以持续监测植物生长的动态特性,且刚性传感器存在易脱落问题
[5]。为此,柔性应变传感技术凭借高灵敏度、宽线性范围、快速响应及优异的柔韧性、拉伸性和耐用性,可稳定附着于叶片、茎秆或果实表面,实现对植物发芽、生长、开花到结果全阶段的连续监测,为作物生长状态和健康评估提供实时支撑。
表3总结了部分植物果实、叶片、茎秆生长传感器件制备材料、制备方式、测量原理等要素。
果实生长发育是植物繁殖与生态系统的核心环节。如
图8所示,Tang等
[39]报道的生长传感器使用壳聚糖基石墨墨水直接在黄瓜表面书写制成,该传感器可监测植物生长拉伸应变,具有60%的高伸长率并能快速响应机械伤害(如被切断)。Nassar等
[16]基于镶嵌在PDMS中的可弯曲Ti/Au薄膜,研制了一种压阻式应变传感器。该传感器能在高达22%的拉伸应变下保持线性稳定,成功监测大麦和竹子的短期生长速率。这类传感器可适应多种植物形态,获取生长参数,推动果实健康状况监测技术发展。
叶片作为光合作用、养分吸收与蒸腾作用的核心器官,其动态膨胀过程也是植物生长监测的重要指标。针对这一特性,研究者开发出具有仿生皮肤机械性能的超薄轻质可拉伸传感器,该器件在1 050 kPa应力和650%应变条件下仍保持稳定工作特性,通过高灵敏度检测机制可连续18 d精准追踪叶片膨胀动态,为植物生理状态分析提供了可靠的技术支持
[40]。
植物茎秆作为支撑结构、物质运输通道及生理活动载体,其生长监测对理解植物发育机制至关重要。柔性可拉伸传感器通过水凝胶等柔性基底材料能适形安装于茎秆,通过高灵敏度应变监测植物生长。此外,监测茎直径微变可体现植物茎秆白天因蒸腾失水收缩、夜晚因根系吸水膨胀或反映其他胁迫导致的生长不良。中国计量大学徐沛团队
[41]开发了一种新型植物可穿戴式高通量传感系统(PlantRing)。采用应力超敏感的蚕丝基纳米材料传感单元、防水无线模块及云服务器构成,通过环绕茎秆将微米级直径变化转换为电信号;该传感器长度可定制,可边充电边测量,能精准连续原位监测。PlantRing适用于基因功能研究、亏缺灌溉调控及林木生长监测,兼具精密科学仪器与智慧农业工具的双重功能已在生产中验证并商业化,突破了穿戴式传感器大规模应用瓶颈,为深入理解和有效管理植物生态系统提供了数据支持。
2.3 果实成熟度分级传感器
除了直接监测果实生长外,果实成熟度分级检测对农业供应链也至关重要,直接影响果实品质、价值和资源利用。传统依赖人工经验或单一理化指标的方法存在主观、低效、标准不一等问题,难以满足规模化、精细化生产需求。当前,基于计算机视觉、高光谱成像和近红外光谱等技术的智能检测系统迅速发展,通过采集果实颜色、纹理、形状及内部糖度、水分、硬度等多维数据,结合深度学习算法构建分级模型,实现对不同成熟阶段的精准识别与追踪。其中,柔性果实成熟度传感器采用柔性材料制成,具有良好的柔韧性和贴合性,能适应果实表面形状进行无损紧密接触测量。此类技术不仅能替代人工、降低损耗,还能与自动化分拣设备集成,实现从采摘到仓储的全流程智能管理,为优化采收时机、为制定差异化销售策略和延长货架期提供依据,推动农业向标准化和数据化升级。
表4总结了部分植物果实成熟度压力传感器件制备材料、制备方式、测量原理等要素。中国农业大学张小栓教授团队
[42-45]在水果智能分选领域取得一系列成果,如
图9所示。其研发的柔性传感智能机械手系统(flexible sensing intelligent manipulator system,FSIMS)利用压力传感单元精准感知牛油果接触点坚固性,并反馈不同的压力值,实现97.5%准确率的四等级成熟度分选,效果优于传统方法,且具有快速分级和环境鲁棒性的优势,能显著降低供应链中水果损耗
[42]。该系统尤其适用于牛油果、猕猴桃等硬度变化显著的水果,对于蓝莓、樱桃等小型果实或表面极度不规则的果实(如菠萝、榴梿),其抓取稳定性和压力感知精度会下降,因此更适用于果实尺寸适中、形状相对规整的场景。该团队进一步将机械手检测系统与机器视觉融合,开发出基于计算机视觉与柔性传感技术熟桃分拣系统,该系统先使用机器视觉对鲜桃颜色特征进行初步筛选,再用柔性压电传感器触觉获取应力反馈数据,实现高效、低耗、低成本的自动化成熟度分级,该方案适用于颜色、硬度变化与成熟度具有较好相关性的水果(如桃、番茄、芒果等),具备推广潜力
[43]。此外,张小栓教授团队还基于旋涂和气动直写技术制备了柔性压电/压阻双机制压力传感器(flexible dual-mechanism piezoelectric/piezoresistive sensor,FDMPS)
[44],其简单高效的工艺利于大规模生产。FDMPS采用三层结构设计,并通过引入微结构层提升了压阻性能,使其在水果抓取过程中能更精准地感知机械臂的弯曲角度、方向与速度,为无损分级和质量监测提供了更可靠的数据支持。这类高性能柔性传感器是实现精细化抓取的关键,特别适用于果实质地柔软、易损(如草莓、熟透的桃)或价值较高(如精品牛油果、网纹瓜)的应用场景。除此之外,华南理工大学方黎明等
[45]针对运输生鲜农产品时损伤问题,研制了一种基于微晶纤维素/壳聚糖/海藻酸钠天然多糖膜的自供电摩擦电传感器(NP-Teng),用于监测水果在运输包装中的碰撞,其具有良好的稳定性和耐久性。实验验证其能有效监测包装内水果的碰撞损害,为开发减少供应链损耗的智能食品包装系统提供了新方案。
2.4 VOCs传感器
许多植物不仅以美丽鲜艳的外表吸引关注,更能通过释放具有特定气味的挥发性有机化合物(volatile organic compounds,VOCs)与外界环境交互信息,这种独特的生化反应机制能与外界环境进行信息交互甚至可帮助植物躲避天敌。在植物应激反应研究中,农药残留、植物激素、VOCs以及氮氧化物(NO
x)、臭氧(O
3)等有害气体分子的检测尤为重要。它们既是环境胁迫的生物标志物,也是评估植物健康状态的关键指标。例如空气污染物(NO
x、O
3等)或过度使用农药会干扰植物代谢功能。当这些有毒物质接近植物时,植物会向大气释放VOCs做出反应和发出信号。根据这一特性,植物柔性传感器可以通过捕获VOCs的变化精准捕获植物的“生理语言”,实现对植物生理状况的实时监控以及疾病预防。
表5总结了部分植物VOCs传感器件制备材料、制备方式、测量原理等要素。
化肥农药等农化试剂在提升作物产量和防控病虫害的同时,也带来了残留风险,因此农化残留检测对农产品安全至关重要。吉林大学孙鹏团队
[46]开发了一种植物可穿戴VOC传感器用于检测农药残留,通过配位-解离-聚合机制,在上转换发光纳米材料@沸石咪唑酯框架(upconverting nanoparticles@Zeolitic imidazolate frameworks,UCNPs@ZIF)表面修饰聚多巴胺(polydopamine,PDA)形成双核结构复合材料,形成一个双核结构的UCNPs@ZIF@PDA复合材料,并将其嵌入双网络水凝胶盘中。该水凝胶盘凭借优异的稳定性和响应性,能与植物形成保形黏附界面,通过持续捕获农药残留信息,成功实现了植物表面农药动态降解过程的原位可视化监测。传感器的主要优势在于其非侵入性和可视化监测能力,非常适用于研究农药在植株表面的迁移、转化与降解动力学。浙江大学平建峰团队
[47]研制了一种用于有机磷农药原位分析的智能植物可穿戴生物传感器,如
图10所示。其采用激光诱导石墨烯(laser induced graphene,LIG)技术制备蛇形石墨烯三电极体系,经PDMS转移后可紧密贴附于作物不规则表面,并经有机磷水解酶(organophosphorus hydrolase,OPH)修饰后特异性识别甲基对硫磷,实现实时电化学分析。该技术适用于需要对特定有机磷农药进行高特异性监测的场景,例如在施用有机磷农药后,精准追踪其在作物表面的初始降解动态,从而指导安全采收期的判定。这两项非侵入式原位传感技术革新了传统农药检测模式,为精准农业提供了新途径。
在植物生长过程中,有些植物果实在成熟之前会释放活性氧等有毒物质,这是其进化过程中为保证繁衍形成的一种自我保护机制。为实时监测植物生化状态变化,浙江大学刘清君课题组
[48]使用丝网印刷技术印刷特殊配制含有添加剂的MXene油墨制造了一种全MXene打印的、用于乙烯检测的植物可穿戴传感器,该传感器还使用不含添加剂的MXene油墨制备了柔性射频(radio frequency,RF)谐振器用于无线信号传输,如
图11(a)所示。在掺入MXene还原的钯纳米颗粒(MXene@PdNP)修饰后有助于在1 μL/L下的1.16%乙烯响应。该无线传感器可紧密贴附于植物器官表面,通过连续原位分析乙烯释放动态,精准捕捉植物生理生化关键转变节点。这项技术拓展了MXene印刷电子在植物激素监测领域的应用场景,尤其适用于需长期、原位监测乙烯气体释放动态的场景,为精准农业和食品工业的智能化管理提供了新型实时监测工具。作为植物和食品中天然存在的主要酚类成分,没食子酸(gallic acid,GA)因抗氧化、抗诱变等特性备受关注,但其传统检测依赖破坏性离体分析,步骤繁琐且成本高昂,难以实现GA原位动态追踪。为此,北京市农林科学院赵春江团队
[49]研发了一种基于激光诱导石墨烯(laser induced graphene,LIG)的柔性可穿戴传感器,通过MXene与二硫化钼(MoS
2)纳米片协同修饰电极,将检测灵敏度提升至1~1 000 μmol/L的宽线性范围,传感器对GA表现出高选择性和稳定性,用于活体植物叶片上没食子酸(GA)的原位动态监测,如
图11(b)所示,成功揭示了盐胁迫对酚类代谢的关键调控作用。为非侵入式原位监测植物代谢物、解析逆境响应机制及智能农业实时监测提供了柔性化、定量化的创新工具。
监测植物挥发性有机物(volatile organic compounds,VOCs)信号也是评估健康状况的重要指标,能为病虫害预警提供关键信息。学者们通过挤压印刷技术开发了一种可穿戴比色传感器阵列,如
图12所示。该阵列采用含有表面功能化传感材料混合油墨实现VOCs的高性能视觉检测
[50]。通过表面改性的疏水性聚二甲基硅氧烷(PDMS)提高了PDMS涂层染料/金属有机框架(metal organic frameworks,MOFs)复合材料的耐湿性和VOCs敏感性。在柔性PDMS衬底上印刷的薄膜表现出良好的柔韧性和拉伸性,同时保持对染料/MOFs@PDMS颗粒的优异传感性能。研究者进一步在同一衬底上集成了8种不同染料修饰的传感器单元,构建出可区分多种VOCs的阵列。通过原位监测小麦结痂病害的特异性VOC生物标志物,验证了其实际应用价值。这种可定制、高灵敏的比色传感技术为植物病虫害早期诊断与精准防控提供了新型原位工具,具备响应快速、可视化、无需复杂采样等优势。推动了智能农业传感系统发展。
利用植物柔性传感器实时监测植物化学物质,包括挥发性化学物质、农药残留以及植物自身产生的活性氧等,相比于传统在实验室内应用大型仪器检测方法,无论在监测效率、监测精度还是检测指标等方面都有其相应的优势。
2.5 集成式多模态传感器
为满足精准农业对植物生长环境多维度感知的需求,集成温度、湿度、光照等环境参数及植物生理指标实时监测的复合型柔性传感器系统成为研究热点,通过柔性电子技术集成生理信号与环境参数同步监测功能的智能传感系统正加速迭代。
表6总结了部分植物集成式多模态传感器件制备材料、制备方式、测量原理等要素。日本大阪府立大学Lu等
[51]报道了基于ZIS(ZnIn
2S
4)纳米片的多模态柔性传感器,如
图13(a)所示;通过丝网印刷银线电路将温度、湿度、光照传感器集成于一片聚酰亚胺(polyimide,PI)薄膜上,这是第一次报道多模态植物柔性传感器,为植物-机器生物接口的精准管理提供了技术基础。新加坡国立大学李国立课题组
[52]采用光刻微加工工艺,开发出了以聚3,4-乙烯二氧噻吩与聚苯乙烯磺酸盐组成的高分子聚合物(PEDOT:PSS)为导电元件、PDMS为基底的全有机植物电子皮肤,构建出兼具生物相容性、透明性及可拉伸性的柔性系统。该系统集成的应变与温度传感器可实时追踪植物生长动态及表面温度变化,如
图13(b)所示;还构建了数字孪生植物监测系统作为农民与农场之间的接口,可实时可视化叶片表面热状态,适用于需要长期原位监测多种生长参数的植物器官。北卡罗来纳州立大学魏青山团队
[53]研制出可附着于叶片背面气孔的可穿戴式多模态植物传感器,该传感器集成了VOC、温度和湿度传感单元,能同步监测农药残留、水分损失及病原体侵染,如
图13(c)所示;还结合机器学习优化多通道数据分析提升病害早期检测效率。这些多功能传感系统通过多参数协同分析与智能算法融合,推动植物健康监测从单一指标向全景式动态感知演进,为资源优化配置和农业智能化管理奠定了技术基石。此外,Yin等
[54]报道了一种多功能的纹身状传感器阵列,该传感器阵列由生物电势电极、电阻温度传感器和阻抗含水量传感器组成,均由金和聚对苯二甲酸乙二醇酯 (Au/PET) 薄膜图案构成,如
图13(d)所示。该传感器可直接应用于叶子表面监测其相对含水量、表面温度和生物电信号。由于它们具有很高的柔韧性、可拉伸性和一致性,该传感器可直接通过范德华力附着在叶子表面,无需额外支撑或黏合剂,最大限度地减少了对叶片生理活动的干扰,适用于对黏合剂敏感或需要尽量减小物理损伤的珍贵植物研究。华中科技大学丁汉团队
[55]开发了一种MapS-Wear系统。该柔性传感贴片采用PDMS作为柔性基底,集成两个光谱传感器和温湿度传感器,形成三明治结构。该贴片可直接贴附在叶片背面,同时监测透射光谱(415~680 nm)、温度和湿度,实时捕捉叶片内色素含量(叶绿素、花青素、胡萝卜素)及蒸腾作用在胁迫影响下的变化。通过采集的传感参数能与植物胁迫因素建立直接关联,精准反映植物的胁迫状态。
植物电子器件向柔性化、可拉伸化、超薄轻量化等方向发展,并兼具环境兼容、无线传输与多模态感知特性。柔性可穿戴传感器通过超适形贴附与生物相容性设计,突破传统刚性器件与生物表面形貌的适配瓶颈
[1],可在野外环境中精准监测温湿度、生长参数及病原体侵染等多元指标。超薄结构结合无线传输技术,使其在维持无创贴附的同时实现信号无线传输,通过持续追踪生物标志物构建全生命周期数据监测体系。这种融合多功能集成与环境自适应能力的技术路径,正引领植物健康管理从离散检测向实时智能感知的系统化模式跨越。
3 植物自供电及无线传输传感器发展现状
随着柔性电子器件的发展,能源供应问题已成为限制其在温室及野外环境中广泛应用的主要因素
[47]。在柔性电子设备的供能方案中,主要技术路线聚焦于储能供电与环境能量收集两大方向。当前,化学电池(如锂离子电池)因高能量密度和稳定输出仍为主流,但其刚性结构和有限循环寿命限制了其在柔性可穿戴领域的应用。为突破这一瓶颈,储能供电与环境能量收集技术呈现多维度创新:一方面,超级微电容器等新型储能器件向微型化、柔性化发展,具备瞬间大电流放电、超快充放电和超长循环寿命的优势;另一方面,压电纳米发电机(piezoelectric nanogenerator,PENG)和摩擦纳米发电机(triboelectric nanogenerator,TENG)利用接触起电与静电感应效应,从机械振动、人体运动中捕获能量,同时轻量化太阳能光伏技术的发展持续优化光能转化效率。这些技术相互配合,已在户外植物监测等场景形成应用方案。尽管部分技术尚在发展,但其在物联网节点、植入式设备等间歇性供能场景的适应性,正推动柔性电子供能体系向自驱动、可持续方向演进。
3.1 柔性电子技术(自充电技术)
柔性电子系统由柔性基板、电路和电子元件构成,其中柔性基板对电路和电子元件起支撑作用,电路连接电子元件,通过元件的联合实现电子系统的功能。目前,柔性电路材料大致可分为传统金属(Cu、Ag、Au、Al等),液态金属和导电油墨(金属油墨和导电碳油墨)。在柔性电路的制造工艺方面有丝网印刷、化学蚀刻、喷墨印刷、激光直写等
[56]。近年来,激光诱导石墨烯(laser induced graphene,LIG)技术利用CO
2激光对聚酰亚胺(polyimide,PI)膜进行局域化辐照,可直接将绝缘的PI转化为具有三维多孔结构的导电石墨烯,实现“基材-电路”的一步成型,兼具工艺精简(无需掩模或化学蚀刻)和设备投入低的双重优势,尤其适用于对加工效率有较高要求,且电路精度要求适中的场景。LIG固有导电性不足和金属焊接困难等缺陷限制了其单独作为电路材料的应用, 但可以通过镀铜来改善。LIG的本征电导率较金属铜存在极大差距,难以满足高密度电路的性能需求;同时,LIG表面的化学惰性导致其与传统焊料的界面结合力不足,严重影响电路模块的封装可靠性
[57]。针对这一挑战,当前研究聚焦于两大技术路径:一是通过氮/硫掺杂或金属纳米颗粒复合等改性策略,提升LIG电导率;二是开发激光辅助金属化工艺,在LIG表面构建微纳级粗糙结构或化学活性位点,实现铜/银等金属镀层的稳定结合。该技术不仅保留了激光加工的高效特性,更通过金属层的引入显著提升电路载流能力与焊接兼容性。随着材料改性与精密激光加工技术的发展,有望突破柔性电子制造在成本、效率与性能间的平衡难题,加速可穿戴设备、电子皮肤等领域的商业化进程。
传统无线传感器网络虽能集成多传感器用于目标监测,但其电池供电特性导致长期使用后需频繁更换电源。拆封更换电池不仅破坏包装完整性,还可能引发二次污染风险。因此,中国农业大学张小栓团队
[58]针对食品安全问题,提出设计制造了一种无线充电柔性原位光学传感系统(flexible
in-situ optical sensing system,FIOS),其结构如
图14所示。该系统能实现无线自充电。FIOS通过柔性电子技术将可见/近红外/近红外光谱传感器、电子元件和微控制器集成到柔性衬底上,通过激光切割实现柔性电路的布线将所有元器件连接,采用PDMS封装。该系统通过无线充电获得能量,有效解决了电子系统更换电池和频繁充电的痛点,特别适合应用于需要数月甚至更长时间稳定性监测的冷链物流或仓储环节。FIOS可以实时获取食品的光谱信息,并将数据无线传输到云平台,从而实现食品质量的可视化,方便质量追溯。
3.2 超级电容器
储能装置主要有电池和超级电容器两种形式。电池基于化学储能机制,能量密度高但充电速度慢;而超级电容器基于物理双电层储能机制,功率密度高、充电速度快、循环寿命长。因此,在对脉冲功率、快速充放电及循环稳定性要求高的场景(如智能穿戴设备、新能源汽车、电网调频和储能等),超级电容器展现出独特优势。然而,与锂离子电池等二次电池相比,其较低的能量密度成为制约其在长时储能领域大规模应用的核心挑战
[59]。因此,提高超级电容器的能量密度成为该领域的重要课题。电极材料对超级电容器的电化学性能至关重要。
目前,碳基材料因其高比表面积和稳定性被广泛应用于双电层电容器。广东石油化工学院李泽胜团队
[60]通过使用低成本和水溶性NaCl作为3D模板,以氧化石墨烯(GO)为原料制备了3D多孔石墨烯电极(比表面积485 m
2/g),该电极材料显示出理想的比电容(1 A/g时为173.5 F/g)和长循环寿命(8 A/g下10 000次循环后电容保持率为88%)。通常,自组装三维多孔石墨烯材料具有较高的导电性,但比表面积较小,比电容较差(由于2D片材上缺乏平面内纳米孔),而三维类石墨烯KOH-活性炭材料具有较高的比表面积,但电导率和功率性能较差(由于3D片材上缺乏石墨化结构)。因此,石墨化碳改性三维活性炭纳米片材料的发展可以弥补两者的缺点,同时具备高比表面积和高导电性。因此,该团队以廉价的KOH为催化剂提高材料的比表面积,以KOH高温碳化生成的K
2CO
3颗粒可作为三维结构模板,从Span20有机分子前体中制备三维ACNS/GCDS,简化了三维碳纳米片的合成步骤,降低了材料成本。所制备的产物为表面具有石墨化碳点(GCDs)的三维纳米片网络结构(3D ACN/GCDs)。石墨化碳点的引入可有效提升三维活性炭的导电性,改善电极的电化学性能
[61]。
在器件制造工艺层面,随着3D挤压印刷技术的出现,石墨烯在储能器件领域特别是超级电容器制造方面展现出巨大潜力。浙江大学Zhang等
[62]使用3D打印技术创新实现了石墨烯基超级电容器的突破性进展,其结构如
图15所示,并开发出自研的无添加剂电化学石墨烯油墨,成功构建可定制化平面微超级电容器(MSCs)的大规模制造体系。这种高性能油墨不仅适用于超级电容器制造,还可实现石墨烯传感器的单步成型打印,为多功能器件的集成化生产开辟新路径。
在智能农业领域,Hsu等
[40]成功研制出一种用于植物生长监测和促进的多功能 PAA-RGO-PANI 超级电容器。该电容器得益于聚丙烯酸(polyacrylic acid,PAA)水凝胶、还原氧化石墨烯(reduced graphene oxide,RGO)和聚苯胺(polyaniline,PANI)的协同增效。PAA 水凝胶赋予其柔韧性与机械强度,RGO 凭借高导电性提升电荷转移效率,PANI 则提供了出色的电化学活性及可调控导电性。因此,其电容性能卓越,在经 5 000 次循环后,电容仍达2 330 mF/cm
2,稳定性与耐用性极佳,且可稳定为 LED 灯供电,满足植物光合作用及生长发育的光照需求,在智能农业系统中具有广阔应用前景。除此之外,Li等
[63]制备了一种基于LIG的自清洁、自充电装置,该装置集成了TENG和微型超级电容器,可附在荷叶或者皮肤上。该团队将聚乙烯醇-磷酸凝胶电解液倒入LIG图案中,形成微型超级电容器。该微型超级电容器在5 000个循环后保持99%的电容保留率,电压窗口为0.6 V,并能在5 Hz频率下在2 000 s内充电至1.6 V。
除此之外,生物质能储能装置(BESDs)以其生物可降解性、生物相容性和低成本等优点,有望取代传统材料电子器件而备受关注。目前大多数BESDs大多是由重组植物材料和外源化学添加剂组成,未能充分利用活植物自身优势。针对此,北京理工大学赵扬和清华大学曲良体团队
[64]报道了一种全植物基小型超级电容器(all-plant-based small supercapacitor,APCSC),不含任何非同源添加剂。该器件直接在活植物内形成,利用植物组织液作为电解液,构成“电子植物(e-plant)”,电容高达182.5 mF/cm
2,优于以往生物质微型超级电容器。所有成分源自同一植物,确保了生物相容性且基本不影响植物生长。该技术适用于芦荟、仙人掌等多肉植物,可为极端环境(如沙漠迷路人员)提供及时电力。通过集成太阳能电池,电子植物可在阳光下自动充电并储存电能,用于夜间照明或为小型电子设备供电。
3.3 摩擦纳米发电机
当前应用于农田、温室、林场和牧场等多样化生态环境的农业传感器,其供电主要依赖传统供能方式。传统供能系统成本高昂、体积较大、工程部署复杂
[65]。常规电池虽能提供一定电力,但存在容量有限、体积笨重、部署繁琐等缺点,难以满足长期运行需求。微型电池虽能减小体积,却也无法提供持久能源。TENG基于摩擦起电和静电感应效应,当两种不同材料相互摩擦时,会在其表面产生电荷,进而通过静电感应使电极上产生感应电荷,当电路闭合时,感应电荷会在外电路中形成电流,从而实现机械能到电能的转换。TENG能将环境中广泛存在的低频、不规则机械能(如风、雨滴、植物摆动)转化为电能。该技术尤其适用于分布广泛、布线困难、需长期供能的农业传感节点,但其输出功率相对较低,更适配于微功率传感器与间歇性工作的电路系统。
在农业环境能量收集方面,研究者们致力于从自然环境中高效获取能量。Meder 等
[66]受植物叶片摆动启发,设计了一种通过收集植物动能和户外风能进行发电的仿生混合发电机,在植物上固定人造叶片,通过增强叶片振荡和瞬时机械接触,提高了风能到电能的转换效率,成功为LED和温度传感器供电。然而,其双电极摩擦电结构需要将组织电极插入植物茎秆收集电能,对植物造成不可逆损伤。针对智慧农业中自供电传感(如土壤尿素检测)的能耗挑战,Gao等
[67]开发了一种基于TENG的高性能自供能主动式尿素传感器。该传感器采用新型双电极结构,通过体积效应显著提升电荷利用率和输出信号灵敏度。该器件输出电压可增至16.2 V,瞬时功率密度达13.78 W/m
3,满足传感器自供能需求。
为解决刚性侵入式器件带来的损伤问题,柔性TENG成为重要发展方向。Lan 等
[68]开发了一种“三明治”结构的可拉伸摩擦纳米发电机,上下层为 PDMS防水层,中间层为银纳米线和MoS
2纳米片复合材料,其优异的柔韧性有效的解决了植物与供电器件之间的力学失配问题。Jiang等
[69]将 TENG 技术集成到农用纺织品中,用MXene墨水涂覆弹性纤维,然后自发生长Ag纳米颗粒(AgNPs)。通过将导电纤维连续涂覆PDMS,最终研制的摩擦电纱具有非凡的输出性能,将雨滴能量转换为电能(可产 7.7 V 电压)。该技术开创性地将功能纤维编织入农业防护网或温室覆盖材料中,使其在作为设施结构材料的同时兼具能量收集功能,特别适合在雨季较长地区构建“设施-供能”一体化的智能农业系统。其强有力的疏水性在供能的同时还可为感知器件提供设施保护。浙江大学应义斌教授团队和新加坡南洋理工大学Pooi See Lee教授团队
[70]合作设计了一种透气疏水式TENG自供电型智能农业系统。该器件由复合薄膜和碳纳米管电极构成,采用静电纺丝PVDF-HFP和电喷F-CNT技术制备出具有纳米纤维和微米球复合结构的薄膜,赋予其优异的透气性和疏水性。这种轻薄、透气、疏水的TENG能牢固粘附于植物叶片而不影响其生理活动,可将风能和雨滴能转化为电能,为土壤湿度传感器供电,为可持续农业自供电感知系统提供了基础。为提升摩擦纳米发电机(TENG)性能,Li等
[63]制备了一种基于LIG的自清洁、自充电装置,该装置由TENG和超级电容器组合而成。TENG采用接触驱动模式,以荷叶或皮肤作为正摩擦电层,PDMS作为负摩擦电层。在25 Hz频率下,该装置在一个有效接触面积为9.0 cm
2的装置上产生了约44.5 V的开路电压和6.8 μA的短路电流。该TENG还能够在雨滴的驱动下将微型超级电容器充电至1 V,显示了其防水、自清洁、自供电装置的强大能力。该器件通过采用创新的透气材料和结构来实现装置的微型化,以减轻对植物的影响。
针对高分子聚合物TENG不利于农业绿色可持续发展的问题,研究者开发了可生物降解的替代方案。Li等
[71]以柚子皮生物质为原料,优化制备出多孔摩擦纳米发电机(PP-TENG)。该PP-TENG开路电压达58 V,峰值功率密度为254.8 mW/m
2,其多孔结构对外部机械刺激敏感,兼具高效能量收集与自供能传感能力。它可为LED、计算器、电子手表等小型设备供电,更能作为生物力学传感器集成于可穿戴设备中,实时监测关节运动、颈部活动、步态模式,在医疗监护、康复、人机交互乃至体育分析领域展现出广阔应用前景。这些基于生物质废弃物的TENG为可持续发展和健康生活提供了绿色解决方案。
TENG除供能外,其产生的高压静电场还可有效刺激植物生长。浙江大学平建峰团队
[72]报道了一种全天候TENG,通过纱线表面功能化,将TENG依附在纱线上,织成智能化农用纺织品,利用雨水冲刷时的电子转移与流动产生电流为智慧农业供能,同时产生能够刺激植物生长的静电场。经静电场处理的豌豆种子,发芽速度和产量分别提高了26.3%和17.9%,为在农业环境中产生空间静电场以提高产量提供了一种有前途的策略。针对高分子聚合物TENG的环保局限性,Gao等
[73]利用笼型聚倍半硅氧烷(polyhedral oligomeric silsesquioxane,POSS)改性废弃骨胶(bone glue,BG),制备出兼具优异柔韧性、透光性、可降解性、电荷生成与捕获能力的BG基复合膜。以此膜为正摩擦层构建的可降解摩擦纳米发电机(PAG-TENG),输出性能显著提升(达247.15 V和482.12 nA,灵敏度14.5 V/kPa)。基于PAG-TENG构筑的摩擦电促生系统(PAG-based triboelectric promoting/generation system,PTSS),使豌豆种子萌芽势和发芽率分别从51%、68%大幅提高至84%、95%。研究者通过调控静电场探讨了促生机理,该工作不仅实现了废弃骨胶的高值化利用,更为智能农业开辟了可持续新路径。
3.4 压电纳米发电机
压电纳米发电机(PENG)利用高频机械能发电,将振动甚至是热效应引起的变化或液体运动引起的轻微振动或是声波中存在的振动能量等转化为电能
[74],具有优异的环境适应性,区别于依赖稳定环境输入的采集方式。其核心是压电效应——特定材料在机械应力下产生电荷(反之逆压电效应,电场可诱导材料形变),使PENG广泛应用于传感器、致动器、换能器和能量收集。特别是对环境声能的利用,无处不在的声音提供了可靠且可再生的振动能源,使得日常噪声转化为有价值的能量电源。这不仅为环境传感器(如噪声或温度监测)和可穿戴设备(如健身监视器、智能手表)提供了持续电源,还拓展了PENG在医疗健康、环境监测及智能基础设施等领域的应用潜力
[75]。
Wang等
[76]首次展示了激光诱导水溶液合成ZnO纳米阵列制备PENG,通过数据驱动学习探究各制备工艺与 ZnO质量、PENG 性能间的关系,采用室温激光诱导化学沉积法在预定义位置生成 ZnO 纳米线阵列,精准控制其密度与形态,并将其集成到 PENG 中研究其电气特性,建立非线性数学模型揭示生长参数对 PENG 输出性能的明显联系,还将其与硅基光电传感器集成,展现自供电传感器系统性能。
柔性PENG通过将机械能转化为电能,成为下一代柔性电子产品供电的一种很有前途的解决方案。然而,传统的铁电陶瓷虽具有优异的压电性能,但缺乏柔韧性;而压电聚合物虽具有高度柔韧性,但压电性较差。因此,开发兼具高压电性与优异柔性的材料成为关键。Ren等
[77]通过水溶性牺牲层控制晶体取向以进一步增强压电响应,制造了一种111取向的 PbZr
0.52Ti
0.48O
3单晶薄膜,表现出高柔韧性和高逆压电系数(585 pm/V)。通过构建PENG,展示了高输出功率密度 (63.5 mW/cm
3)、出色的柔韧性(具有应变容差>3.4%),以及在循环测试(>60 000 次循环)中卓越的机械稳定性。这些进步为利用铁电氧化物薄膜的高性能、柔性电子设备铺平了道路。杭州电子科技大学陈迎鑫团队
[78]通过表面改性合成了功能化钛酸钡(BT@CDs@ArPFTU)纳米颗粒,并掺入聚偏二氟乙烯-三氟乙烯[poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene),P(VDF-TrFE)]中,通过静电纺丝制备柔性压电薄膜。该复合膜具有更高的结晶度与β相含量,具有良好的压电性能。组装成PENG后表现出优异的电输出性能,展示出通过无线电刺激加速伤口愈合、促进细胞增殖和迁移的潜力。
此外,研究者们还致力于将压电、摩擦电纳米发电机结合,以提升器件性能。Liu等
[79]开发了一种基于PI膜的柔性TENG。该器件通过在PI膜中掺杂钛酸钡(barium titanate,BTO)纳米颗粒和多壁碳纳米管(multi-walled carbon nanotubes,MWCNT)制成。BTO利用压电-摩擦电协同效应增强电输出,而MWCNT则构建微电容结构优化性能。当BTO和MWCNT的质量分数分别为10%和0.1%时,该TENG达到最佳输出(约65 V、20.0 μA和25.0 nC),显著优于纯PI膜器件。此TENG既能驱动商用发光二极管,也可作为自供电传感器监测人体运动状态,为高性能TENG在能量收集和自供能传感领域的应用提供了基础。Fu等
[80]利用静电纺丝技术制备出具有高压电性能和光热转换效率的PAN/BaTiO
3/MXene纳米纤维膜,并基于此膜构建了高性能压电-摩擦电混合纳米发电机。该混合发电机输出性能(输出电压11.3 V,电流300 nA)显著优于单一压电发电机。浙江大学王玮团队
[81]开发了一种基于生物金属-有机框架(Bio-MOFs)的自供能多功能设备。通过结合具有高压电响应的Zn-Car_MOF和图案化的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜,构建了摩擦-压电混合纳米发电机(TPHG)。该TPHG展现出高输出性能(在100 kPa下可达131 V)和宽压力响应范围(1 Pa~100 kPa),适用于环境能量收集和生物医学传感器。
这些兼具可持续性与环境友好特性的压电纳米发电机(PENG),可直接集成于植物体或生长环境监测系统中,在完全自供能的智能农业和生态监测系统等领域展现出极其广阔的应用前景,为构建新一代智能植物传感器系统提供了强大动力。TENG和PENG对比结果如
表7所示。TENG能够收集风、雨滴或植物摆动等低频机械能,具备结构简单、成本低的优点;但其输出功率较小,稳定性易受环境因素影响,通常仅为小型低功耗传感器供能。PENG则可将高频机械应力转化为电能,具有高灵敏度和快速响应的特点,但产生的电能有限,常用于对机械振动敏感的低功耗农业传感器。
3.5 太阳能光伏技术
面对全球能源危机与环境挑战,清洁可再生的太阳能及其自供电系统因其能降低电网依赖和碳排放的战略意义而备受关注。该系统的关键在于光伏电池技术的不断突破,特别是钙钛矿这类新型材料的相继涌现,进一步提高了能量转换效率。为克服太阳能的间歇性,锂离子电池等储能技术及智能控制系统至关重要,通过实时监测与优化算法(如调节光伏板倾角、管理充放电和负载调度)提升系统性能与能效
[82]。在应用拓展方面,太阳能在微型无人机领域和面临电池板效率限制等挑战。北京航空航天大学漆明亮团队创新性地采用静电驱动方案,研制出微型静电电机,同时采用太阳能电池片将太阳能高效转化为动能,为太阳能驱动微型无人机及小型化设备(如植物柔性传感器)应用开辟了新路径
[83]。
由于严格的重量、尺寸和资源限制,使用光伏太阳能在生物界面上为可穿戴设备在恶劣野外环境中提供持续的供电和通信是一项极具挑战性的任务。这要求在设备重量、尺寸和能源来源的限制方面遵循严格的要求。因此,在不利条件下优化能效并确保可靠通信对于成功部署至关重要。新疆农业大学刘湘江和浙江大学谢丽娟教授团队共同合作研制了一种类似向日葵的植物可穿戴传感设备(
图16),它利用太阳能实现完全的能量自给自足,以长期监测植物茎流
[84]。该设备配备了可折叠的太阳能电池板及所有必需的柔性电子元件,将高效的能量收集能力与植物茎流监测相结合,形成一个紧凑的系统,轻便到足以适用于小型植物,能够精细地安装在植物茎部。机械强度和优异的生物相容性确保了长期监测而不影响植物的健康和活力。
综上所述,为植物传感器构建自供电系统需综合考量不同供能技术的特点。传统电池技术成熟且能量密度高,能为传感器提供稳定的电力,但其寿命有限,需定期更换,还可能对环境造成污染,适用于供电稳定性要求高且更换方便的场景。超级电容器则充放电迅速、循环寿命长,可满足传感器瞬时峰值功率需求,如数据传输;不过其能量密度低、自放电率高,无法单独长期供电,需与其他电源或发电机配合,以应对设备的瞬时大功率需求。摩擦纳米发电机(TENG)能收集环境中诸如风、雨滴或植物摆动等低频机械能,具有结构简单、成本低的优势,适合能量丰富的环境;然而,其输出功率较小,稳定性受环境因素影响较大,通常只能为小型低功耗传感器供能。压电纳米发电机可将高频机械应力转化为电能,具备高灵敏度和快速响应的特点,但产生的电能有限,常用于对机械振动敏感的低功耗农业传感器。太阳能光伏技术在光照充足区域表现出色,能稳定高效地将光能转化为电能,为各类传感器提供能源,但其输出受昼夜温差、天气及植物冠层遮挡影响明显,必须搭配储能单元(如电池或超级电容器)才能保障无光时段的持续运行,因此在太阳能资源丰富的农业区域可广泛推广。相较而言,TENG、PENG 和太阳能光伏技术等环境能量收集技术具有免维护、自供给的潜力,而当前植物柔性传感器正朝着小型化、低功耗的方向发展,这些技术尤其适合为分布式部署的微型植物传感器提供长期能源。因此,优化植物传感器供电必须紧密结合具体应用场景,如光照条件、机械能来源、传感器功耗及部署位置等,通过合理选择或组合电池、超级电容器、太阳能及环境能量收集技术,构建稳定、高效、可持续的自供电解决方案。
4 感知数据无线传输技术
在植物柔性可穿戴式传感器的数据传输体系中,无线与有线技术是将数据中继传输至智能手机或云端进行存储、分析与可视化的核心支撑。传统有线连接虽能保障稳定传输,但其物理束缚性显著降低了穿戴设备的适用性与灵活性。相较之下,无线通信技术通过移动终端直连实现了数据分析的便捷性,但其信号覆盖范围受限、高密度数据传输能耗较高等问题仍需突破。此外,为确保传感器长期可靠运行,定期维护与自诊断功能不可或缺。以农业场景为例,可穿戴式植物传感器通过实时捕获植物生理信号(如蒸腾速率、养分浓度),并将其转化为无线电信号传输至管理平台,不仅优化了作物健康监测精度,更为精准农业的变量灌溉与智能施肥提供了数据闭环,为农业生产从经验驱动向数据驱动的升级奠定基础。现有无线传输技术包括蓝牙、Wi-Fi、NFC、RF和一些新型通信方式。
4.1 蓝牙数据传输技术
蓝牙技术凭借低功耗、低成本、连接便捷、抗干扰能力强等优势,适配农业植物传感场景。低功耗使其能在田间长时间运行无需频繁充电,适合监测植物生长环境和生理状态的传感器长期工作。其设备普及度高,农业技术人员可用常见智能设备读取传感器数据,提高数据获取便捷性。且蓝牙的抗干扰能力在复杂的农业环境中可保障数据传输稳定,确保生长数据准确可靠。不过,其传输距离和速率有限,不适合大规模数据传输,且连接设备数量有限,实际应用中需综合考虑这些限制。
浙江大学平建峰教授团队
[47]利用计算机控制的激光感应系统,制备了柔性、可拉伸的植物穿戴式传感器,选择性捕获和识别作物表面的甲基对硫磷,识别信号通过适配蓝牙数据传输的手持式电化学工作站,实现农药残留实时信息无线接收。江西科技师范大学卢宝阳团队
[85]开发了一种新型超柔软、抗脱水且高度可拉伸的有机水凝胶应变传感器(ultrasoft, anti-dehydrated, stretchable organohydrogel,UASOH),进一步将制备的传感器与蓝牙模块集成,开发一种无线传感系统,用于在理想和非生物胁迫条件下进行非侵入性原位植物生长监测。
目前,市场上已出现基于蓝牙的植物传感器产品,如 Helloplant 智能植物传感器。它可测量土壤水分、光照强度、环境和土壤温度等信息。使用时,只需将传感器插入土壤,下载手机应用程序Helloplant并连接蓝牙,设置植物信息后,用户就能接收植物状态通知。
4.2 Wi-Fi数据传输技术
Wi-Fi技术具有传输速率高、覆盖范围较广、网络容量大和兼容性良好等优势,能够满足农业植物传感场景中的数据传输需求。其高传输速率可快速传输大量数据,如高清视频流,适用于需要实时监测和分析植物生长状况的场景。较广的覆盖范围可覆盖一个中型温室或农场区域,减少设备数量和布线复杂度。大网络容量支持同时连接多个传感器设备,实现多点监测。技术成熟且设备兼容性良好,便于农业技术人员使用常见智能设备进行数据采集和监控。不过,Wi-Fi功耗较高,在田间长期使用需解决电力供应问题,且复杂农业环境可能会影响Wi-Fi信号的稳定性。
浙江大学应义斌团队
[86]受自适应绕组植物卷须启发,开发了一款基于自适应绕组应变(adaptive winding strain,AWS)传感器的植物集成可穿戴系统(integrated plant wearable system,IPWS),如
图17所示,用于植物脉搏监测;鉴于蓝牙无线传输无法满足田间植物远程、大规模监控需求,设计制作了具有 Wi-Fi无线数据传输功能的柔性印刷电路板,实现 AWS传感器与智能手机的无线通信。IPWS由AWS传感器、柔性印刷电路和智能手机 APP显示界面3个模块构成。
除此之外,还能用单片机的Wi-Fi功能实现无线数据传输。为提升花卉栽培质量,确保稳定生长环境,满足远程监测与调控需求,学者们设计出基于物联网技术的智能花卉栽培系统。该系统主要运用 STM32 单片机和多种传感器实现全面感知,借助 Wi-Fi 传输完成信息交互,在云物联网平台开展实时监测与远程操控。种植者能远程监测土壤温湿度、环境温湿度、CO2浓度、光照强度等信息,并通过 APP 远程控制水泵、排气扇、补光灯等功能。此设计性能稳定,有效解决环境信息获取不准确、不及时及操作不当等问题,达成预期效果。然而,Wi-Fi 功耗较高,可能影响依靠电池供电设备的续航;配置相对复杂,需一定网络知识才能完成设置与管理。
4.3 RF射频传输技术
射频(radio frequency,RF)技术因其传输距离可调、抗干扰性强、成本低且技术成熟,被广泛用于传感数据传输,尤其在农业监测中表现出色。然而,高频段信号穿透能力较弱,易受建筑物等障碍物影响,且传统RF技术在高数据传输率需求下存在局限性。为应对复杂电磁环境,需优化信号稳定性和多技术兼容性,构建灵活无线网络。无电池无线传感技术可通过高频/超高频射频识别(radio frequency identification,RFID)或近场通信(near field communication,NFC)的能量采集机制,为食品包装内部温度连续监测提供了创新解决方案
[87]。其中,NFC因通信距离受限,而RFID则凭借更远的有效传输距离成为更具实用优势的选择。当前主流无线传感系统多采用刚性印刷电路板(printed circuit board,PCB),这种传统技术存在显著局限性,其坚硬基底易与食品包装或植物表面产生机械失配,导致传感器与被测对象贴合不紧密,长期接触甚至可能因材料磨损引发物理损伤或化学污染
[16]。这种刚性结构缺陷严重制约了其在农业监测场景中的应用适配性,柔性电子技术的突破为此提供了关键转型路径。通过采用具备优异形变能力的柔性基板、可延展电路与微型化电子元件
[88],柔性系统不仅能紧密贴合果蔬曲面、食品包装等复杂表面,其超薄轻质特性还可直接附着于植物表皮进行原位监测。相较于PCB,这种全柔性架构既消除了机械失配风险,又避免了硬质材料对生物组织的潜在损伤,显著拓展了传感系统在农业领域的适用场景。尤其在需要长期无损监测的冷链食品包装、活体植物生理传感等应用中,柔性电子技术正成为替代传统刚性系统的必然选择。在智能农业中,基于RFID的传感技术得到了广泛的应用,具有广阔的应用前景。最近,RFID传感技术已经通过集成调频(frequency modulation,FM)反向散射原理而得到优化,并被用于传感器的开发,以检测植物叶片的温度。设计的传感器标签由微控制器、传感器板、基于RF的开关和通信天线组成,所开发的RFID传感器消耗非常低的功率来在读取器和标签之间传送信号。
在无线信号传输方面,RF谐振器是一种有效的信号传输方式。浙江大学刘清君课题组
[48]利用丝网印刷技术,制造了一种全MXene打印的植物可穿戴传感器,同时制备了RF射频谐振器。如
图18(a)所示,RF谐振器的简化模型可以由RLC等效电路表示,传感器的谐振响应可以通过便携式或定制的矢量网络分析仪进行远程读取,实现了植物可穿戴传感器网络的无线信息感知与传输;并在MXene印刷电子器件上沉积了MXene@PdNPs传感层,以提升对乙烯的选择性和灵敏检测。其中
Ls和
Cs分别为耦合电感和电容,而可变电阻器
Rs则用于描述乙烯暴露时传感器电阻的变化。当
Rs增加时,会导致传感器的品质因数降低,并减少
S11幅度,如
图18(b)所示,MXene印刷谐振传感器的
S11振幅随乙烯浓度降低。柔性印刷电子器件已经成为可穿戴智能设备的多功能组件,为在植物可穿戴传感器方面研究作物的表型性状提供了实时和原位的监测。
除此之外,中国农业大学肖新清副教授团队
[89]提出并开发了一种用于食品储藏的柔性无源无线温度传感系统(battery-free flexible wireless temperature sensing system,BFTS)。BFTS由一个柔性无源无线温度传感标签(battery-free flexible wireless temperature sensing tag,BFTT)、一个无线阅读器和一台计算机(PC)组成,由激光雕刻激光诱导石墨烯(laser-induced graphene,LIG)上镀铜制成的铜镀膜制备电路进行连接。所研制的BFTT通过无线阅读器提供的无线射频(RF)电源实现无电池连续温度监测,具有良好的柔性,可以放置在食品包装内部,可连续、准确地监测食品包装内部的温度。
4.4 NFC数据传输技术
NFC 技术基于射频识别(RFID)和互感耦合原理,工作在 13.56 MHz 频段,通过设备间线圈感应产生电磁场实现短距离通信。其低功耗和无需外部电源的特点,使其适合在田间长期稳定运行的农业植物传感器,降低了维护成本和环境干扰。快速连接和便捷操作的优势,方便农业技术人员使用移动设备轻松读取传感器数据,及时获取植物生长信息。然而,其短距离通信限制了在大型农场或复杂布局中的应用,且数据传输速率有限,不适合传输大量数据,如高分辨率图像或视频,这在一定程度上影响了其在农业植物传感场景中的广泛应用。
目前,基于 NFC 的传感器已问世。以 Growiti 为例,它是一款基于 NFC 无线技术的土壤水分传感器,包含三部分:可插入土壤基质的可弯折水分传感器、贴于花盆上的 NFC 天线以及客户端 APP。其安装过程十分简便,只需插入水分传感器,贴上 NFC 天线贴,再打开手机 APP 检查传感器位置即可开始使用。Growiti 采用的 NFC 方案虽无法与 Wi-Fi 在连接距离上相提并论,但其无需传感器接入电路的优势十分明显。依据 NFC 的传输原理,Growiti 水分传感器在手机靠近接入时由手机供电驱动。并且,它采用非绑定式设计,即一个 APP 可对应多个硬件端,只要硬件端接入 NFC,就能直接查看土壤水分数据,这意味着无论家中盆栽数量多少,都能轻松查看各植物土壤的水分情况。
NFC 与 RFID 在农业植物传感器无线数据传输中各有优缺点。两者都是基于电磁感应原理,都可用于数据传输和识别,但工作频段、通信模式和能量供给方式不同。RFID 工作频段宽泛,低频 RFID 穿透能力强,高频 RFID 应用广泛,超高频 RFID 读取距离远,适合远距离识别,且 RFID 标签有无源和有源之分,可依需求选择;但其多为单向通信。NFC 主要在 13.56 MHz 频段,通信距离短,安全性高,且支持3种模式,包括点对点模式可双向传输,但设备常需电源支持。在农业植物传感器场景中,若需远距离快速识别且成本敏感,RFID 优势明显,但灵活性和双向交互性稍逊;而 NFC 更适合短距离、高安全、需双向数据传输的精细农业应用,但设备电源要求可能增加成本和复杂度。
4.5 其他通信方式
除此之外,还有一些新兴无线传感方式。为了解决太阳能的低能量密度问题,刘湘江课题组
[84]设计了一种受萤火虫启发的超低能耗光通信机制。在太阳能电池板内部集成了一个小LED,以实现编码光信号的传输和接收,从而促进双向通信。与传统的Wi-Fi、蓝牙等无线传输方法相比,该系统能显著降低能耗,在长达14 d的时间内持续监测植物生理。该可穿戴设备的能源和通信解决方案可以扩展到类似的资源有限且具有挑战性的场景,具有巨大的应用前景。
在植物柔性可穿戴式传感器的数据传输体系中,无线与有线技术各具特点。传统有线连接虽能保障稳定传输,但物理束缚性降低了穿戴设备的适用性与灵活性;无线通信技术虽实现了移动终端直连及数据分析的便捷性,但存在信号覆盖范围受限、高密度数据传输能耗高等问题。具体来看,NFC 技术通信距离极短、传输速率较慢,应用场景受限,且部分老旧设备暂不支持,但连接速度快、功耗低;蓝牙技术低功耗、低成本、连接便捷、抗干扰能力强,但传输距离和速率有限,连接设备数量有限,存在同频干扰和兼容性问题;Wi-Fi 技术传输速率高、覆盖范围广、网络容量大、技术成熟,但功耗较高,配置相对复杂,易遭黑客攻击,且在高密度网络环境下易出现网络拥塞,信号易受障碍物干扰;RF 射频传输技术传输距离可调、抗干扰性强、成本低且技术成熟,但高频段信号穿透能力较弱,易受建筑物等障碍物影响,传统 RF 技术在高数据传输率需求下存在局限性。除此之外,还有一些新兴无线传感方式,如受萤火虫启发的超低能耗光通信机制,能耗低,但其应用范围和稳定性还需进一步验证。
5 瓶颈与机遇
植物可穿戴传感器作为绿色农业与生态监测的新利器,在农业生产、植物生理研究等领域展现出巨大潜力,具有实时监测、自动化数据分析、节约资源、提高农作物产量和质量以及绿色环保等优势,能在不阻碍植物生长下实现原位、定点、连续检测。通过它能实时快速检测植物健康状况,尽早发现病害或异常,减少未来农业作物损失。然而,其在实际应用中仍面临诸多瓶颈。下文将从群体表征需求下的回收与低成本、长时监测下的耐候性与适应性、群体数据采集与 AI 结合的智慧农业3个方面进行表述,探讨植物可穿戴传感器面临的挑战与未来的发展机遇。
5.1 群体表征需求下的回收与低成本
许多植物可穿戴传感器需要电子器件和电池来维持其运行,这些部件存在含有重金属、有害化学物质等环境风险,在传感器使用后若不进行妥善回收处理,可能会对环境造成污染,进而影响生态系统和其他生物的健康。例如,一些早期的植物生长监测传感器,使用传统的锂电池供电,电池废弃后其中的锂、钴等金属可能渗入土壤,危害土壤环境和植物生长。目前,较为有效的解决办法,就是运用可降解
[11]材料来制备植物可穿戴传感器以及自供电部分
[64]。
在传感器推广生产应用方面,降低生产成本对于推动其大规模应用有着不可忽视的重要性。高昂的生产成本使得高通量、群体监测成本陡增,这在很大程度上限制了该技术在农业生产中的普及程度。并降低生产成本的关键途径在于借助规模化生产和市场化推广。通过规模化生产,能够实现分摊研发成本、优化生产流程、降低原材料采购成本等目标,进而提高生产效率,降低单位产品成本。而市场化推广则可以增加产品销量,进一步摊薄成本,促使形成良性循环,例如,可采用低成本的激光诱导石墨烯技术、丝网印刷、卷对卷等低成本、大规模制备方法
[16-17]。Sun等
[41]研发的 PlantRing(植物手环)便是一个典型案例,其借助技术创新和规模化生产,成功降低了传感器的制造成本,使其更易于被市场接受,为植物可穿戴传感器的大规模应用提供了有力借鉴。
5.2 长时监测下的耐候性与适应性
植物生长环境复杂多变,这对植物可穿戴传感器的稳定性与可靠性提出了严峻挑战。传感器需适应不同气候、土壤和光照条件,在高温、高湿环境下,电子元件易故障或性能下降;强风、暴雨等恶劣天气则可能损坏传感器结构,影响监测精度。同时,沙漠干旱与热带雨林高温高湿的环境差异,进一步增加了传感器的适应难度。目前,采用具备自修复功能材料
[8]制备植物可穿戴传感器是一种有效解决途径。此外,植物可穿戴设备的空间分辨率和恶劣环境中的鲁棒性亟待提升,现有设备多局限于实验室或温室场景,难以应对野外多变温度、湿度、光照和化学物质的复杂环境,且使用寿命较短。与商用刚性传感器相比,柔性可穿戴设备的重复性和稳定性也有待提高。此外,还必须重点开发传感器集成的能量收集、无线传输和远程监控技术。
除此之外,植物生长过程中的动态变化,如茎秆增粗、叶片生长脱落等,会对传感器的贴合性和稳定性产生影响,导致数据准确性下降。同时,植物生理活动和生物钟特性可能干扰传感器监测,例如昼夜节律下的生理变化会引起信号波动。为消除植物与可穿戴电子设备的相互干扰,需避免对植物正常光合作用和呼吸作用的不利影响,利用化学合成和微纳米加工技术制备具有微结构改性类表皮柔性材料,并通过应力释放结构设计和镂空结构提升柔韧性、透水透气性。如基于共价有机框架(covalent organic framework,COF)湿度膜的可穿戴传感器,其柔性基质可以随着叶子的生长而拉伸,能在多种非生物胁迫下长时间连续高精度地监测番茄的蒸腾信息
[90]。此外,传感器阵列和多模态传感是重要发展方向,传感器将向更小、更轻、更集成发展,以减少对植物生长的干扰。微型化和集成化技术可实现多参数同时监测,目前设备虽能监测物理参数,但在生化生理过程监测方面仍存在困难,集成多参数检测到柔性基板上将使设备更紧凑可靠。
5.3 群体数据采集与AI 结合的智慧农业
通过在大面积农田中部署大量可穿戴传感器(
图19),实现对植物群体的高通量监测,可获取丰富的数据资源,如植物的水分含量、养分吸收情况、光照强度、温度等信息,结合人工智能算法,可以实现对作物生长状况的精准监测和预测。借助AI 技术,如机器学习、深度学习等,对海量的植物传感器数据进行深度挖掘和分析,提取有价值的信息,实现农业生产的智能化管理和决策。例如,通过对植物生长历史数据和实时数据的分析,建立作物生长模型和病虫害预测模型,提前预测作物的生长趋势和病虫害发生概率,为农业生产提供科学依据,减少人工经验判断的误差。基于模型预测结果,可精准实施灌溉、施肥和病虫害防治等农事管理,从而提升农业生产效率与农产品质量,并有效减少资源浪费与环境污染,提升农业现代化水平。
北卡罗来纳州立大学Giwon Lee教授团队
[91]开发了一种新型可穿戴植物传感器贴片,用于连续监测植物健康。该传感器贴片集成了挥发性有机化合物(volatile organic compounds,VOC)、温度和湿度传感器,可同时测量生化和生物物理信号,并通过机器学习框架处理数据,实现了精准区分健康与患病植物。该研究创新性地实现了早期病害精准检测,保障粮食安全。华中科技大学丁汉团队
[55]提出的面向植物胁迫原位在线诊断的多模态柔性可穿戴系统(Maps-Wear),通过构建叶面光谱特征与胁迫响应间的直接映射关联,结合机器学习在信号处理与模型预测中的优势,在番茄植株上实现了多种胁迫因素的长期、精准与早期诊断。该系统可实现在无明显可视症状期的早期预警,并能提前10 d以上诊断出作物胁迫状态,有助于及时干预促使植物重新恢复健康状态。此外,该系统还可部署在农田环境下进行大批量采样与快速结果分析,有助于高效筛查番茄嫁接亲和性。
除此之外,植物可穿戴传感器为植物科学研究提供了丰富的数据支持,有助于深入了解植物的生长规律、生理生态特性以及与环境的相互作用。研究人员可以利用这些数据构建表型与基因型关联,开展基因研究、品种选育、植物生理生态等方面的研究,加速植物科学的发展。新加坡国立大学程珂
[52]团队将植物电子皮肤收集的数据进行处理,生成数字信号,创造出与实际植物物理状况相镜像的数字孪生植物。以温度为测试条件,可将植物叶片表面的温度波动瞬间转化为数字孪生植物上的颜色变化,让使用者实时、直观地看到植物表面温度的变化。除了温度,该系统还可用于连续、无创地监测植物在各种环境下的物理特性,有助于快速分析新植物品种的相关特性,加速作物育种进程,为精准调整植物生长环境,如调控室内农场设施温度等提供有力支持,进而提升精准农业水平。
6 结论
综上所述,植物可穿戴传感器在农业与生态监测领域潜力巨大,但其从实验室走向田间大规模应用仍面临多重瓶颈。针对群体表征需求,发展可降解材料与自供电技术可降低环境风险,借助规模化生产和低成本工艺则能有效控制成本。面向长时监测场景,需提升传感器的耐候性、适应性及对植物动态生长的兼容性,而自修复柔性材料与应力释放结构设计有助于增强复杂环境下的长期稳定性。在智慧农业层面,传感器与人工智能的深度融合,不仅能实现高通量数据采集与精准胁迫诊断,还可构建数字孪生模型,支撑作物育种、病虫害预警及环境调控的智能决策。尽管当前技术尚处发展阶段,但随着材料科学、微纳制造与信息技术的持续突破,植物可穿戴传感器必将克服现有瓶颈,成为绿色农业精准化与生态监测实时化的核心工具,为保障粮食安全和推动可持续发展注入新动力。
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