图1  农作物可穿戴传感器的分类与应用。

 图2  用于监测蔬果生长的可穿戴传感器。壳聚糖基墨水制备柔性可拉伸应变传感器：(a)制备示意图；(b)用于测量的黄瓜果实，在测量过程中一直附着在茎上；(c)由架子支撑的黄瓜果实，在测量过程中被切断；(d)实时监测生长情况。每隔10 s记录一次电阻。GM/CNTM应变传感器：(e)测量茄子果实生长情况，(f)测量茄子果实生长情况，(g)可穿戴设备与手动测量9天内的生长情况。插图显示了可穿戴设备的读数与果实直径的关系，(h)测量了葫芦瓜果实的生长情况，(i)可穿戴传感器捕获的逐步生长情况。多功能PAA-RGO-PANI水凝胶：(j)多功能PAA-RGO-PANI水凝胶的制备工艺，(k)无线植物可穿戴传感器示意图，(l)芦荟叶片在18天内的生长速率。

 图3 用于监测叶片的可穿戴传感器。(a)在PDMS衬底上开发具有PEDOT: PSS微图案的植物电子皮肤的制造工艺示意图。(b)作为应变传感器的植物电子皮附着在拉柏叶片上的照片。(c)不同外加应变下电子皮肤应变传感器的相对电阻变化。叶片上的多功能可拉伸传感器原理图和演示：(d)叶片传感器的原理图和爆炸视图。(e)应变传感器测量前后的图像（左）。玉米叶片上的叶片传感器同步测量的光强度结果（右）。(f)室外测量时附着在玉米叶片上的多功能叶片传感器和测量电路的图像。(g)叶片传感器在玉米叶片上测量应变的同步测量结果。叶片上的多功能可拉伸传感器：(j)用功能聚合物薄膜蒸汽包覆活植物的过程和低压反应器中发生的氧化聚合反应以及导电聚合物涂层PProDOT-Cl的结构。(k)涂有PProDOT-Cl电极图案的Pothos，使用放置在一片叶子上的聚酰亚胺胶带掩膜实现。(l)涂层厚度为1 μm的PProDOT-Cl的原始和popots的sem。标尺尺寸为50 μm。(m)原始和pprodot - cl涂层天竺葵叶片的数码照片（左）和光学显微照片（右）。

图4  植物传感器设计。可拉伸封装应变传感器。(a)应变传感器的制造工艺流程示意图突出了屈曲金属薄膜结构。(b)数码照片突出了封装应变传感器的柔韧、轻薄和可拉伸特性。(c)该图显示了应变传感器以拉伸方式拉伸和拉长时电阻的增加，相应的图（蓝色）将伸长与传感器上引起的拉伸应变相关。(d)应变传感器灵敏度图显示了高达22%应变的线性行为，对应于传感器结构的3.75 mm伸长。(e)用于监测大麦植株生长的应变传感器系统的综合数码照片。(f)数码照片显示，竹节间茎上生长应变传感器的无缝集成。(g)连续2天，24 h内对竹生长速率进行定量实时跟踪(h) AWS传感器制作示意图。(i)番茄幼苗卷须和IPWS的光学图像。(j)柔性印刷电路集成的AWS传感器原理图。(k) AWS传感器的热膨胀行为示意图。（l-m）不同温度、湿度水平（55%、60%和65%）和光照强度（0-8 klx）下直线型和蛇形AWS传感器的响应。

 图5  (a)安装在叶片表面的VOCs传感器示意图。(b)甲醇传感器的横截面图。(c)导电聚（ATD）电沉积在碳电极表面（左），用铂纳米颗粒修饰（中），并注入基于nafion的固态聚合物电解质（右）。(d)安装在叶片表面的VOCs传感器照片。(e) 0.5 - 500ppm浓度甲醇样品的GC-MS测定。附图显示了GC-MS峰强度与甲醇浓度的关系。(f)用于毛状植物电生理的基于水凝胶的常规电极示意图。i)预成型固体水凝胶不符合毛状表面。ii)琼脂凝胶与固体表面之间的界面水导致附着力差。iii)可变形电极在毛状植物上的应用原理图。将冷却的聚合物溶液（约4°C的溶胶）滴在植物表面，并随着温度与周围环境的平衡而固化成凝胶，形成具有增强的相容性和附着力的表面电极。(g)应用在gloxinia （Sinningia speciosa）叶片上的凝胶的横截面扫描电镜图像，显示了EPC热凝胶的高度一致性。橙色阴影勾勒出凝胶，灰色区域是植物组织。(h)损伤实验设置示意图。INA，仪表放大器。（i,j）示意图(i)和照片(j)显示了测量毛状叶片上凝胶电极阻抗的设置。(k)分别通过EPC热凝胶和PAAm水凝胶粘附在多毛向日葵茎上的平板电极的照片，描绘了两种凝胶的一致性对比。(l)向日葵茎上EPC热凝胶和PAAm水凝胶的信号幅值箱形图，表明EPC热凝胶的信号强度更高。(m)上图：在纹身纸支架上的共形喷墨打印PEDOT层、基于银墨的软连接器和用于测量植物电信号的磁性电缆连接器的组装示意图。底部：本研究中使用的典型配置的电极图像。(n)左图：捕蝇草叶片上纹身电极的照片和低（中图）和高（右图）放大数字显微镜图像的符合电极层适应并粘附在叶片表面。中间的黄色虚线表示PEDOT: PSS层的边缘。(o)左：覆盖电极的捕蝇草叶片表面的SEM图像。黄色方块表示离子束横截面被切断的区域。中间和右边：离子束横截面的概览和放大图像，分别显示了不同层和电极对亚微尺度叶片特征的适应。

图6  (a)植物电子皮肤作为温度传感器附着在白刺叶片上的照片。(b)温度传感器示意图。(c) PDMS衬底上PEDOT: PSS图案的形貌。比例尺，500 μm。(d)温度传感器的相对电阻变化和温度响应。(e)真实空间中的植物和虚拟现实（VR）空间中的植物的照片和截图，并显示相应的温度信息(f)在叶子上制造和应用植物纹身传感器阵列的过程示意图。(g)与非接触式红外温度计相比，使用可穿戴温度传感器测量的叶片表面温度（左y轴）。右y轴表示由距离叶片表面2厘米的商用RH传感器测量的RH。[98](h)柔性湿度传感器制作工艺示意图。(i)基于PI的柔性湿度传感器照片（左）。基于PI的传感器的SEM横截面图像（中）。基于pi的传感器表面的SEM图像（右）。(j)石墨烯柔性湿度传感器照片（左）。基于GO的传感器的SEM横截面图像（中）。基于GO的传感器表面的SEM图像（右）。(k) i 传感器在不同角度弯曲时的电容。Ii 传感器在20%、40%、60%、80% RH环境下的长期稳定性。(l)i 实时监测传感器的电容响应干旱胁迫；ii浇水1天（左）和6天（右）后叶片气孔图像。iii，气孔大小变化的统计结果。(m)纸带上石墨烯图案形成的示意图。i 通过软光刻技术在PDMS衬底上创建负极图案。ii 石墨烯悬浮液滴涂在PDMS板的整个表面。iii 在PDMS表面形成石墨烯薄膜。iv 使用透明胶带去除负片图案外的石墨烯薄膜。v 石墨烯图案在PDMS表面的负极图案内部形成。vi 将靶带粘附在PDMS表面。vii 石墨烯图案被转移到目标磁带上。(n) i, ii；光学图像显示了石墨烯图像化和转移过程的主要步骤。比例尺表示在PDMS结构中获得的1mm . i的石墨烯模式。PDMS衬底上的负极图案深度为15.4µm。PDMS负极图案内部的石墨烯厚度为10.3µm。ii石墨烯图案转移到聚酰亚胺带的ST工艺的应用。iii 石墨烯转移后的PDMS表面。iv, v。石墨烯图案被转移到聚酰亚胺胶带上。(o)石墨烯RH传感器和位于迷宫叶片背面的商用RH参考传感器的照片。在右边的图像中，两个传感器的位置被放大，以澄清结构。(p) B73玉米植株灌水后叶片表面RH水平的实时监测。(r)可拉伸可穿戴植物传感器结构图。(s)附着在叶片下表面的可穿戴传感器示意图。(t)基于COFMOP-TAPB的四种不同MXene组成比制备的MxA20-COFMOP-TAPB器件在五种RH梯度下的响应曲线。(u)基于COFMOP-TAPB的湿度传感器在6个湿度梯度上60s内的稳定电流。

 图7  用于微气候监测的自主可穿戴植物。(a)用于微气候探测的柔性超光传感器。步骤1-5提供了柔性和轻质温度和湿度传感器集成过程的详细示意图，步骤6显示了通过简单的剥离蝴蝶传感器平台的最终释放，然后转移到薄层PDMS上进行单侧包装。(b)集成环境植物传感器的柔性蝴蝶平台的数码照片，该平台以保形方式放置在植物叶片的顶部。(c)综合便携式系统的数码照片，显示柔性环境植物传感器在植物叶片表面的适形放置，以便实时监测温度和湿度水平。超轻的电线将传感器连接到系统的其余部分。连接的系统组件（PSoC和可充电电池）放置在工厂附近的土壤上。(d)与商用温度传感器相比，当工厂周围局部温度变化时，制造的温度传感器的实时响应。(e)制造的湿度传感器与商用传感器对工厂周围湿度水平变化的响应行为的实时图。(f)现场应用的PlantCopter设计(g) 3D可穿戴传感器示意图。i.二维平面衬底。ii.三维折纸结构。iii. 戴在植物器官（叶子）上的3D传感器。iv. 3D传感器随植物生长拉伸。v.集成传感模块的3D传感器，用于植物生长（伸长）和小气候（温度、湿度和光照）的原位和在线监测。 (h)采用sb纺丝技术生产PLA垫的装置示意图。(i)左图为纺丝后的PLA垫，右图为含有丝网印刷电极的PLA垫。(j)以sb纺丝纤维制成的可穿戴传感器在PLA垫片为基板上的图像。i.工作电极放大5000倍的扫描电镜图像。 (k)直接在苹果（上）和白菜皮（下）上进行农药现场检测的可穿戴传感器图片。(l) i.用SPE在PE和PLA垫子上制作多菌灵的差分脉冲伏安图，在0.1 ~ 1.4 μM的浓度范围内得到相应的分析曲线。ii在浓度为0.1 ~ 1.4 μM的PE和PLA衬垫上用固相萃取（SPE）制备了液相色谱伏安方波图。实验条件：磷酸盐缓冲液（0.1 mol L−1），pH 7.0。(m)制造污垢的概念性说明。(n)示范在土壤样本中放置5厘米深的污垢。(o)从S21（cal）中提取的谐振峰与使用便携式读取器测量的频率曲线，绘制为VWC的函数。消声室实验的测量结果以及模拟的结果绘制出来进行比较。(p) HS-ISM氮（NH4+/NO3-）土壤传感器的制作过程。(q)土壤中(i) NH4+和（ii） NO3- HS-ISM传感器校准曲线。(r) HS-ISM土壤传感器稳定性试验。(s) (i) NO3-和（ii） NH4+ HS-ISM土壤传感器的W-DDPA和s - ddpa处理数据与传感器读数和实验室测试结果的比较

S. Xu, X. Huang, X. Liang, H. Lu, Application of wearable sensors in crop phenotyping and microenvironment monitoring, Chemical Engineering Journal (2024). 159059.

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王春颖