出品：科普中國

作者：一言科普團(tuán)隊

監(jiān)制：中國科普博覽

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想象一下，如果植物能夠“戴上”手環(huán)，我們是否就能像監(jiān)測自己的健康一樣，實時掌握它們的生長狀況？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。

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

智能手表監(jiān)測人體信息

（圖片來源：veer圖庫）

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)從簡單的計步器和心率監(jiān)測器，發(fā)展到了能夠監(jiān)測血糖、血壓等復(fù)雜生理參數(shù)的高級設(shè)備。然而，當(dāng)我們將視野轉(zhuǎn)向植物健康監(jiān)測時，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)載過重，很容易造成倒伏，影響作物的生長。

水稻

（圖片來源：veer圖庫）

其次，植物的生長環(huán)境多變，對設(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、不影響植物生長的同時，實現(xiàn)長期穩(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)備的尺寸和供能問題，需要監(jiān)測哪些生理指標(biāo)以及如何監(jiān)測，則需要另行研發(fā)。

植物的生長過程中，哪些指標(biāo)比較重要？

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

土壤濕度的監(jiān)測

（圖片來源：veer圖庫）

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和產(chǎn)量有關(guān)。監(jiān)測葉綠素的含量有利于評估植物的營養(yǎng)狀況和光合作用效率，及時補充植物所需的營養(yǎng)物質(zhì)。葉綠素含量的測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)鹽的運輸速度，還與葉溫等生理反應(yīng)密切相關(guān)。蒸騰速率的測定有利于探索植物對環(huán)境的適應(yīng)性、評估植物的水分利用效率以及指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐。蒸騰速率的測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

（圖片來源：veer圖庫）

植物莖流速度，即植物莖內(nèi)液體流動的速率，一般通過每小時或每日的流量來度量。這一指標(biāo)對于揭示植物對水分的吸收、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)測哪一個呢？

熱敏電阻，實現(xiàn)植物“血液”的監(jiān)測

植物的“汁液”與動物的血液類似，源源不斷地為植物的生長提供水分和營養(yǎng)物質(zhì)，具有重要的研究價值。2024年12月4日，中國科學(xué)家研制了一種形似“太陽花”的設(shè)備，并且成功將其“穿”在植物的莖稈上，實現(xiàn)了植物汁液莖流速度的監(jiān)測和數(shù)據(jù)的傳輸，相關(guān)成果發(fā)表于《Science Advances》雜志。

形似“太陽花”的植物可穿戴設(shè)備

（圖片來源：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。熱敏電阻在通電工作時會產(chǎn)生局部熱量，當(dāng)植物汁液流動時，熱量會隨著汁液的流動方向從上游傳遞至下游，下游的溫度則會因熱量的傳遞而升高。這款植物可穿戴設(shè)備通過記錄上下游溫度的差異和變化時間，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

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

植物戴上這種設(shè)備，會不舒服嗎？

“太陽花”結(jié)構(gòu)的設(shè)計，不僅不會讓植物感到不舒服，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能電池板制成太陽花花瓣的形狀，并且將其貼在柔性PDMS（聚二甲基硅氧烷）薄膜上�；ò隊畹碾姵匕逋ㄟ^柔性的蛇形銅線連接在一起，形成了一個特殊的“太陽花”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、茄子等許多常見植物果實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天后的變化對比圖

（圖片來源：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30天的“佩戴”，其生長沒有出現(xiàn)明顯的負(fù)面影響，并且葉片的葉綠素活性也沒有明顯變化。

不僅外觀美麗，它還具有可靠的性能

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

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

為了實現(xiàn)可穿戴設(shè)備電能的自己自足，研究者受螢火蟲信號行為的啟發(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)以集成在太陽能電池板中的小型LED為信號源，通過對LED發(fā)射器的編程，實現(xiàn)植物汁液流動方向和速度的編碼。最后，利用無人機等具有拍攝功能的設(shè)備對LED的閃爍時間和頻率進(jìn)行捕獲，實現(xiàn)植物汁液流動信息的記錄。

可穿戴設(shè)備的光通信方法示意圖

（圖片來源：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存的電能（2664J）也可以維持一定時間的設(shè)備運轉(zhuǎn)。

探測器在真實農(nóng)場中的南瓜植株上的完整操作周期，探測器通過連續(xù)14天的田間測試展現(xiàn)出長期運行能力

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

結(jié)語

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，植物也有幸成為一名“消費者”。植物可穿戴設(shè)備的問世提高了科學(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系統(tǒng)研究[D]. 昆明理工大學(xué), 2013.

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