出品：科普中國(guó)

作者：一言科普?qǐng)F(tuán)隊(duì)

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

編者按：為了解前沿科技動(dòng)態(tài)，科普中國(guó)前沿科技項(xiàng)目推出“帶你讀懂科學(xué)頂刊”系列文章，精選權(quán)威期刊的優(yōu)秀論文，第一時(shí)間用通俗語(yǔ)言進(jìn)行解讀。讓我們透過(guò)頂刊之窗，拓寬科學(xué)視野，享受科學(xué)樂(lè)趣。

想象一下，如果植物能夠“戴上”手環(huán)，我們是否就能像監(jiān)測(cè)自己的健康一樣，實(shí)時(shí)掌握它們的生長(zhǎng)狀況？隨著可穿戴設(shè)備的發(fā)展，這一設(shè)想正在逐漸成為現(xiàn)實(shí)。

那么，如何為植物設(shè)計(jì)合適的可穿戴設(shè)備？植物的監(jiān)測(cè)信息又是如何被收集和傳輸?shù)哪兀?/p>

智能手表監(jiān)測(cè)人體信息

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

給植物“穿上”可穿戴設(shè)備，并非易事

當(dāng)下，可穿戴設(shè)備已經(jīng)從簡(jiǎn)單的計(jì)步器和心率監(jiān)測(cè)器，發(fā)展到了能夠監(jiān)測(cè)血糖、血壓等復(fù)雜生理參數(shù)的高級(jí)設(shè)備。然而，當(dāng)我們將視野轉(zhuǎn)向植物健康監(jiān)測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的可穿戴設(shè)備不論是在穿戴方式、能源供給或者監(jiān)測(cè)技術(shù)上均存在一定的局限性。

首先，植物的莖葉承受能力有限。一般植物例如水稻，其莖稈的直徑只有幾毫米，如果負(fù)載過(guò)重，很容易造成倒伏，影響作物的生長(zhǎng)。

水稻

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

其次，植物的生長(zhǎng)環(huán)境多變，對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定性和耐久性要求更高。如何在保證設(shè)備輕巧、不影響植物生長(zhǎng)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定的能源供給，是植物可穿戴設(shè)備發(fā)展的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

最后，植物的生理構(gòu)造與人體大不相同，人體監(jiān)測(cè)血糖和血壓的方法在植物體上不能直接使用。因此，即使解決了可穿戴設(shè)備的尺寸和供能問(wèn)題，需要監(jiān)測(cè)哪些生理指標(biāo)以及如何監(jiān)測(cè)，則需要另行研發(fā)。

植物的生長(zhǎng)過(guò)程中，哪些指標(biāo)比較重要？

土壤濕度和營(yíng)養(yǎng)水平直接影響植物的生長(zhǎng)環(huán)境。監(jiān)測(cè)這些參數(shù)可以幫助種植者優(yōu)化施肥和灌溉計(jì)劃，保證植物生長(zhǎng)所需的最佳土壤條件。

土壤濕度的監(jiān)測(cè)

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的關(guān)鍵色素，其含量的變化直接與植物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量有關(guān)。監(jiān)測(cè)葉綠素的含量有利于評(píng)估植物的營(yíng)養(yǎng)狀況和光合作用效率，及時(shí)補(bǔ)充植物所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。葉綠素含量的測(cè)試方法主要有分光光度法和熒光法。

蒸騰速率是衡量植物水分代謝強(qiáng)弱的重要生理指標(biāo)，不僅關(guān)系到植物體內(nèi)的水分平衡和礦質(zhì)鹽的運(yùn)輸速度，還與葉溫等生理反應(yīng)密切相關(guān)。蒸騰速率的測(cè)定有利于探索植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性、評(píng)估植物的水分利用效率以及指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐。蒸騰速率的測(cè)試方法有離體快速稱重法和紅外氣體分析法。

顯微鏡下的植物維管組織

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

植物莖流速度，即植物莖內(nèi)液體流動(dòng)的速率，一般通過(guò)每小時(shí)或每日的流量來(lái)度量。這一指標(biāo)對(duì)于揭示植物對(duì)水分的吸收、轉(zhuǎn)移和分配至關(guān)重要，是植物水分需求和生理狀況的直接體現(xiàn)。莖流速度的測(cè)試方法有熱脈沖法、熱平衡法、同位素示蹤法等。

這么多指標(biāo)，植物可穿戴設(shè)備到底要監(jiān)測(cè)哪一個(gè)呢？

熱敏電阻，實(shí)現(xiàn)植物“血液”的監(jiān)測(cè)

植物的“汁液”與動(dòng)物的血液類似，源源不斷地為植物的生長(zhǎng)提供水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，具有重要的研究?jī)r(jià)值。2024年12月4日，中國(guó)科學(xué)家研制了一種形似“太陽(yáng)花”的設(shè)備，并且成功將其“穿”在植物的莖稈上，實(shí)現(xiàn)了植物汁液莖流速度的監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)的傳輸，相關(guān)成果發(fā)表于《Science Advances》雜志。

形似“太陽(yáng)花”的植物可穿戴設(shè)備

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1）

這種植物可穿戴設(shè)備集成了熱敏電阻。熱敏電阻是一種自身電阻值隨溫度變化的電子元件，能夠根據(jù)溫度的變化輸出響應(yīng)信號(hào)。熱敏電阻在通電工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生局部熱量，當(dāng)植物汁液流動(dòng)時(shí)，熱量會(huì)隨著汁液的流動(dòng)方向從上游傳遞至下游，下游的溫度則會(huì)因熱量的傳遞而升高。這款植物可穿戴設(shè)備通過(guò)記錄上下游溫度的差異和變化時(shí)間，即可得到植物的液流方向和速度。

植物可穿戴設(shè)備示意圖和內(nèi)部元件連接示意圖

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1）

植物戴上這種設(shè)備，會(huì)不舒服嗎？

“太陽(yáng)花”結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，不僅不會(huì)讓植物感到不舒服，還具有較高的能量供給效率。

研究者利用激光切割的方法將硅基太陽(yáng)能電池板制成太陽(yáng)花花瓣的形狀，并且將其貼在柔性PDMS（聚二甲基硅氧烷）薄膜上�；ò�?duì)畹碾姵匕逋ㄟ^(guò)柔性的蛇形銅線連接在一起，形成了一個(gè)特殊的“太陽(yáng)花”結(jié)構(gòu)。

該可穿戴設(shè)備的質(zhì)量較輕（約40克），僅有南瓜、葡萄、茄子等許多常見(jiàn)植物果實(shí)重量的四分之一到五分之一，在植物莖部的可承受范圍內(nèi)。

植物“佩戴”可穿戴設(shè)備30天后的變化對(duì)比圖

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1）

研究者將該可穿戴設(shè)備安裝在南瓜莖部，經(jīng)過(guò)30天的“佩戴”，其生長(zhǎng)沒(méi)有出現(xiàn)明顯的負(fù)面影響，并且葉片的葉綠素活性也沒(méi)有明顯變化。

不僅外觀美麗，它還具有可靠的性能

除了美觀外，這種“太陽(yáng)花”結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)增強(qiáng)了各組件之間的空氣循環(huán)，有效地分散了太陽(yáng)光連續(xù)直射產(chǎn)生的熱量，太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)到19.49%。并且，太陽(yáng)能電池板在經(jīng)過(guò)500次循環(huán)測(cè)試后，功率也沒(méi)有明顯下降，具有較高的可靠性。

此外，太陽(yáng)能電池板的下方還附加了8個(gè)微型鋰離子電池中（直徑4.5毫米，長(zhǎng)23毫米），可以將多余的電能儲(chǔ)存，以供極端天氣條件下使用。

為了實(shí)現(xiàn)可穿戴設(shè)備電能的自己自足，研究者受螢火蟲信號(hào)行為的啟發(fā)，開發(fā)了一種耗能小、傳輸高效的光通信系統(tǒng)。該通信系統(tǒng)以集成在太陽(yáng)能電池板中的小型LED為信號(hào)源，通過(guò)對(duì)LED發(fā)射器的編程，實(shí)現(xiàn)植物汁液流動(dòng)方向和速度的編碼。最后，利用無(wú)人機(jī)等具有拍攝功能的設(shè)備對(duì)LED的閃爍時(shí)間和頻率進(jìn)行捕獲，實(shí)現(xiàn)植物汁液流動(dòng)信息的記錄。

可穿戴設(shè)備的光通信方法示意圖

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1）

該植物可穿戴設(shè)備利用小型LED作為發(fā)射器，設(shè)備整體每天的功耗約為1773J。其搭載的太陽(yáng)能電池板在晴天和多云天氣產(chǎn)生的電能完全可以覆蓋設(shè)備的電能消耗量。即使是遇到極端天氣，該可穿戴設(shè)備中的微型鋰離子電池儲(chǔ)存的電能（2664J）也可以維持一定時(shí)間的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。

探測(cè)器在真實(shí)農(nóng)場(chǎng)中的南瓜植株上的完整操作周期，探測(cè)器通過(guò)連續(xù)14天的田間測(cè)試展現(xiàn)出長(zhǎng)期運(yùn)行能力

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1）

結(jié)語(yǔ)

科技的發(fā)展使可穿戴設(shè)備不僅僅局限于人類生命體征的監(jiān)測(cè)，植物也有幸成為一名“消費(fèi)者”。植物可穿戴設(shè)備的問(wèn)世提高了科學(xué)種植的能力，其發(fā)展也更有利于我們“菜籃子”的壯大。我們期待更多高端技術(shù)在農(nóng)業(yè)的應(yīng)用，為我們提供更加科學(xué)和更加高效的種植方式。

參考文獻(xiàn)：

1.Shuang Wang et al. Sunflower-like self-sustainable plant-wearable sensing probe[J]. Science Advances, 2024.

2.Cohabiting Plant-Wearable Sensor In Situ Monitors Water Transport in Plant[J]. Advanced Science, 2021.

3.田清遠(yuǎn).基于熱平衡方式的植物莖流檢測(cè)系統(tǒng)研究[D]. 昆明理工大學(xué), 2013.

4.陸元洲,江朝暉,李想,等.植物水分含量檢測(cè)綜述[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào), 2015.

5.丁筱玲,趙立新,張業(yè)民.植物莖液流速及蒸騰量動(dòng)態(tài)測(cè)試儀[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2000.

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