Интегрированная и надежная система мониторинга пульса растений на основе биомиметического носимого датчика.

Oct 23, 2023

npj Flexible Electronics, том 6, номер статьи: 43 (2022 г.) Цитировать эту статью

3317 Доступов

9 цитат

Подробности о метриках

Носимые датчики для растений могут обеспечить непрерывное измерение физиологической информации растений. Однако стабильный и высокоточный мониторинг растений с железистыми волосками и воском является сложной задачей из-за отсутствия адаптируемости интерфейса обычных носимых датчиков растений. Здесь, вдохновленная усами адаптивной намоточной установки, была разработана интегрированная носимая система электростанции (IPWS) на основе адаптивного датчика деформации обмотки (AWS) для мониторинга импульсов электростанции. IPWS состоит из трех модулей: датчика AWS, гибкой печатной схемы и интерфейса дисплея приложения для смартфона. В качестве ключевого элемента датчик AWS может адаптивно охватывать стебель томата. Важно отметить, что благодаря графену со змеевидным рисунком, полученному лазером, датчик AWS демонстрирует превосходную устойчивость к температурным помехам с коэффициентом термостойкости 0,17/°C. Продемонстрировано, что IPWS стабильно и с высокой точностью отслеживает пульс растений, что может отражать рост и состояние воды в растениях томата в режиме реального времени.

Общение с молчащими растениями для получения информации об их росте важно для изучения механизмов и повышения урожайности1,2,3,4,5. Исследования показали, что процесс роста растений аналогичен сокращению и расширению пульса человека, что выражается в сокращении и расширении стебля днем ​​и ночью6,7,8. Повторяющееся расширение приводит к росту растений. На самом деле пульс растений связан с поглощением и транспирацией воды растениями8,9,10. В течение дня, когда большая часть устьиц на листьях открыта и транспирация воды из листьев превышает поглощение воды корнями, диаметр стебля практически не изменяется или уменьшается. Ночью, когда устьица на листьях закрыты, растение поглощает из корней больше воды, чем испаряется из листьев, и стебель расширяется. Когда воды не хватает, стебель явно сморщивается. Таким образом, мониторинг пульса растений может понять взаимосвязь между ростом растений и водоснабжением.

В настоящее время датчики, применяемые для мониторинга импульсов установки, в основном представляют собой датчики с жесткими линейными преобразователями (LVDT)11. Громоздкие и тяжелые датчики LVDT сложно закрепить, и они оказывают предварительное усилие на растения8, что не подходит для мониторинга рассады растений, поскольку рост семян растений имеет решающее значение для завязывания плодов и урожайности. В последнее время гибкие тензодатчики, которые можно носить на растениях, обладают огромным потенциалом для непрерывного измерения роста растений12,13,14. В последние годы было разработано несколько датчиков планарной деформации для мониторинга роста растений2,3,4. Однако все еще существуют некоторые проблемы в применении датчиков планарной деформации для мониторинга импульсов электростанции. Во-первых, компактные железистые волоски и воск на стебле растения влияют на фиксацию носимых планарных датчиков. Датчики, прикрепленные к растениям скотчем, не способствуют росту растений и могут отвалиться при длительном наблюдении. Кроме того, сложная окружающая среда представляет угрозу стабильности датчиков15. Действительно, среда роста растений сложна и изменчива, например, изменения освещения, влажности и температуры, что может привести к потере точности данных датчиков16. Наконец, недостатки проводного метода сбора данных заключаются в громоздкости проводки и высокой стоимости. Насколько нам известно, для мониторинга импульсов электростанции еще не было зарегистрировано ни одной носимой сенсорной системы с гибкой адаптируемостью и отличными помехоустойчивыми характеристиками. Поэтому необходимо разработать носимую сенсорную систему для растений с гибкой адаптируемостью, защитой от помех и беспроводной передачей данных для мониторинга пульса растений.

При этом была разработана интегрированная носимая система (IPWS) на основе адаптивного датчика деформации обмотки (AWS) для беспроводного мониторинга импульса установки (рис. 1а). IPWS состоит из трех модулей: датчика AWS, гибкой печатной схемы и интерфейса дисплея приложения для смартфона. Ключевой элемент, датчик AWS, был разработан по мотивам усиков растений, которые могут адаптивно обволакивать стебель томата без какой-либо пасты или клея. Эта биомиметическая структура усиков преобразует прямую деформацию растяжения в эффект кривизны и позволяет избежать дефицита деформации из-за разрушения трещиной. Кроме того, датчик AWS демонстрирует устойчивость к температурным помехам благодаря змеевидной конструкции, что делает возможным долговременный и защищенный от помех мониторинг импульсов растений. Расширение и сжатие штока может стимулировать датчик AWS генерировать изменения сопротивления, которые могут быть зарегистрированы IPWS, который передает данные об изменении сопротивления на смартфон по беспроводной сети. Результаты показывают, что система IPWS может точно отслеживать пульс растения, чтобы диагностировать рост и состояние воды томата.