随着全球人口的持续增长，显著地提高农业生产率，以满足日益增长的粮食需求。然而，植物表型研究对于提高农作物产量起着关键作用。其中，利用各种数据采集工具获取综合表型至关重要。传统的基于光学成像的表型技术，可以获取植物表型状态和动态信息，但该方法也存在空间分辨率低、对环境条件敏感等局限。而可穿戴传感器是一种新兴的数据收集工具，凭借其高空间分辨率、多功能性、最小侵入性等优势,在植物表型研究中展现出巨大潜力。

2023年7月，Plant Phenomics 在线发表了南京农业大学陈发棣课题组题为 Wearable Sensor: An Emerging Data Collection Tool for Plant Phenotyping 的综述文章。

该综述系统总结了可穿戴传感器在监测植物表型（伸长、叶温、含水量、生物电位、应激反应等）和环境参数（温度、湿度、光照、农药、有毒气体等）方面的进展，如图2-图8是一些穿戴传感器的示意图。关注植物生长不受干扰、传感器与植物界面结合牢固、信号类型扩展、监测范围扩大等方面的挑战,并提出了可能的解决方案。同时该综述还指出相比光学成像技术,可穿戴传感器具有高时空分辨率、可检测环境对表型的影响、野外应用准确率高等优势,在植物表型研究中展现出巨大应用潜力。可穿戴传感器监测植物生长节律、叶片微环境、含水量变化、生物电位响应、应激反应等方面取得进展。

本文从材料科学、信号传输、制造技术和植物生理学多学科视角,系统梳理可穿戴传感器在植物表型研究领域的进展。提出植物生长不受影响、传感器与植物结合牢固等方面的技术难点,为后续研究提供参考。

图1用于监测植物表型和环境的可穿戴传感器

图2用于测量植物伸长的可穿戴传感器。 (A) 基于 Ti/Au 的可拉伸应变传感器：(i) 应变传感器的数码照片，(ii) 附着在大麦植株上的传感器系统的照片，以及 (iii) 显示实时情况的绘图测量大麦植株的叶片伸长。根据 CC-BY 4.0 知识共享归属许可证的条款进行改编。(B) 基于壳聚糖的直写柔性传感器：(i) 制造示意图，(ii) 传感器打印在 2个黄瓜果实上（一个保留在茎上，另一个与茎断开），用于测量，以及（iii）实时监测黄瓜生长情况。基于石墨/碳纳米管的应变传感器：(i) 制造石墨膜 (GM)/碳纳米管膜 (CNTM) 应变传感器的关键步骤，(ii) 安装在 Cucurbita pepo 植物上的传感器，以及 ( iii) 由可穿戴传感器记录的逐步增长。 (D) 液态合金传感器：(i) 印刷在硅胶半球 3D 表面上的分形电路，(ii) 印刷在玫瑰上的 LA 代码，以及 (iii) 芽的相对长度和相对电阻传感器作为生长时间的函数。

图3 用于测量植物叶片温度的可穿戴传感器。(A) 基于反向散射通信的标签-传感器节点：(i) 反向散射通信示意图，(ii) 传感器节点和标签设计，以及 (iii) 时域反向散射信号和功率电平。传输的莫尔斯符号“.. - - - - - - ..”对应于 28 ℃。经许可转载。(B) 基于 ZigBee 的无线温度传感器网络：(i) 温度传感器原型的顶视图，(ii) 安装在瓜叶上的温度传感器，以及 (iii) 传感器记录的温差及其与沉淀。

图4用于测量植物水合作用的可穿戴传感器 。（A）基于PI的植物干旱传感器：（i）基于柔性PI的植物干旱传感器的结构图，（ii）安装在叶子下表面的植物干旱传感器的光学图像，以及（iii）烟草对干旱胁迫的反应。根据 CC-BY 4.0 知识共享归属许可条款复制。(B) 基于 GO 的湿度传感器：(i) 柔性湿度传感器的制造过程，(ii) 安装在 Epipremnum aureum 叶子下表面的基于 GO 的湿度传感器的照片，以及 (iii)监测湿度传感器对干旱胁迫的电容响应。(C) 基于石墨烯的湿度传感器：(i) 传感器放置和检测机制的示意图，(ii) 石墨烯传感器和安装在玉米叶背面的商用参考传感器的照片，以及(iii) 实时监测自交系 B73 玉米植株灌溉后的相对湿度水平。(D) 用于跟踪植物液流的灵活电子传感系统：(i) 植物可穿戴传感器的分解图，(ii) 安装在悲伤叶子上的传感器的光学图像，(iii) 示意图检测原理，(iv) 从左到右液流测量的温度，(v) 西瓜植株上 3 个传感器的布置示意图，以及 (vi) 3 个传感器测量的液流流速的变化。PET、聚对苯二甲酸乙二醇酯；PTC，正温度系数。

图5  用于测量植物生物电势的可穿戴传感器。(A) 具有 BDD 电极的灵敏植物监测系统：(i) 用于检测盆栽仙人掌杂交植物生物电势的实验装置照片和示意图，(ii) 手指触摸引起的盆栽仙人掌杂交植物中的生物电势，以及 ( iii) BDD 和 Pt 电极记录的环境变化引起的生物电势变化。(B) 柔性 BDD 电极：(i) 安装在芦荟叶上的薄膜型电极的示意图，(ii) BDD 传感器元件和遮蔽胶带，以及 (iii) (1) 由柔性 BDD 电极记录的电位信号11天，（2）11天的降雨量，（3）对手指触摸刺激的反应，（4）150毫升浇水后的反应。根据 CC-BY 4.0 知识共享归属许可证的条款进行改编。(C) 基于热凝胶的可变形离子电极：(i) 可变形电极在毛状植物上粘附过程的示意图，(ii) 测量火焰损伤引起的电位变化，(iii) 显示粘附在毛状向日葵上的板电极的照片(iv) 从向日葵茎上的热凝胶和 PAAm 水凝胶读取电位信号。经许可转载。(D) 自粘表面电极：(i) 自粘电极的插图和图像，(ii) 应用于 Codariocalyx motorius 叶枕上的电极照片，以及 (iii) 用光和电记录的生物电信号伤害刺激。根据 CC-BY 4.0 知识共享归属许可条款复制。FG，框架背景；INA，仪表放大器；EPC，热凝胶聚合物，由亲水性聚乙二醇（PEG）、热响应性聚丙二醇（PPG）和疏水性可生物降解聚己内酯（PCL）片段组成，命名为聚（PEG/PPG/PCL 聚氨酯 ）并表示为EPC；PCB，印刷电路板。

图6用于测量植物应激反应的可穿戴传感器。(A) 用于检测病原体感染下植物排放的 VOC 的传感器：(i) 具有软 AgNW 电极和石墨烯基传感材料的传感器示意图，(ii) 贴在番茄叶上的可穿戴传感器的照片，以及（ iii) 传感器阵列对传染性疟原虫接种的实时响应。(B) 用于检测 UVA 照射下植物叶子阻抗谱的传感器：(i) 传感器制造和测量示意图，(ii) 原始且经 UVA 照射的玉簪叶子的照片，以及 (iii) 频率相关阻抗和（ iv) 原始（绿色）和 UVA 照射（紫色）玉簪叶的相位响应。(C) 用于检测臭氧氧化下植物叶片阻抗谱的传感器：(i) 传感器制造和测量示意图，以及 (ii) 不同臭氧浓度下的阻抗和 (iii) 相位响应。VHB 胶带，“极高粘合力”胶带。

 图7用于测量空气温度、空气湿度和光线的可穿戴传感器。(A) 集成温度和湿度传感器的可穿戴设备：(i) 柔性多感官平台的制造工艺流程图，(ii) 集成可穿戴传感器系统的照片，(iii) 温度传感器的实时响应当暴露于温度分布的局部变化时，以及（iv）湿度传感器对湿度水平变化的实时响应。根据 CC-BY 4.0 知识共享归属许可证的条款进行改编。(B) 具有多个传感元件的轻型可拉伸传感器：(i) 多功能叶子传感器的分解图（左）和顶视图（右），(ii) 安装在玉米叶子上并测量的多功能叶子传感器的照片(iii) 环境温度和 (iv) 光强度的结果。

图8用于农药和有毒气体测量的可穿戴传感器。（A）用于监测有机磷农药的可穿戴传感器：（i）可穿戴传感器的制造过程示意图，（ii）附着在菠菜植物上的传感器的照片，以及（iii）喷洒有机磷农药的样品的方波伏安曲线甲基对硫磷和不含甲基对硫磷的对照样品。(B) DMMP 气体传感器阵列：(i) DMMP 气体传感器阵列的示意图，(ii) 转移到活叶表面的 DMMP 气体传感器的照片，以及 (iii) 对变化的实时响应DMMP 的浓度。(C) NO2 气体传感器阵列：(i) NO2 气体传感器阵列的制造过程示意图，(ii) 在活植物叶子上制作的气体传感器阵列的照片，以及 (iii) 气体的动态响应NO2 气体传感器阵列。OPH，有机磷水解酶M-SWCNT，金属单壁碳纳米管；CNT，碳纳米管。

论文链接：

‍https://doi.org/10.34133/plantphenomics.0051

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