文：萬燦
來源：35鬥（ID：vcearth）
植物，是我們身邊最熟悉的事物，它們往往靜靜佇立或是提供給人類必須的食物、工業原料。但是你有沒有可能想過，植物也有各項生理指標，甚至有“喜怒哀樂”。那麼我們該如何讀懂植物的生物指標，和植物“隨喜”呢？植物傳感器應運而生。
植物的生長在內部生理狀態方麵，主要表現在徑流速度、激素、葡萄糖等小分子和pH的de變bian化hua。而er傳chuan感gan器qi就jiu用yong於yu監jian測ce這zhe些xie變bian化hua因yin素su的de實shi時shi動dong態tai，從cong而er分fen辨bian植zhi株zhu是shi否fou健jian康kang。近jin年nian，有you多duo個ge團tuan隊dui在zai植zhi物wu傳chuan感gan器qi研yan究jiu方fang麵mian取qu得de了le進jin展zhan或huo突tu破po，或huo可ke在zai商shang業ye應ying用yong方fang麵mian顯xian示shi出chu巨ju大da的de潛qian力li。
35鬥梳理了相關研究團隊的主要方向和研究發現，以期順序揭示該領域的最新進展。
表1：植物傳感器的相關研究發現
由於植物有外部形態特征和內部生理特征的微變化，所以植物傳感器也分為外部與內部。
外部按測量方式可分為接觸式和非接觸式，接觸式是機械測量，采用位移傳感器；非接觸式采用現代視覺檢測圖像處理技術，通過提取被測植物的圖像信息得到準確的測量值。內部植物傳感器主要分為徑流傳感器、激素傳感器和葡萄糖等小分子傳感器。目前植物徑流傳感器的測量主要采用熱技術方法，包括熱場變形法、熱擴散法和熱平衡法等；植物激素是植物內源性發育的風向標，其可以整合外部信號來控製植物從胚胎到器官的產生、生物防禦、脅迫耐受和生殖發育等一係列生長過程；當前對植物進行葡萄糖分析的研究較少，大部分檢測方法是基於酶的高特異性來進行。本文中，咱們主要分析探討植物內部生理傳感器的研究概況與應用前景。可穿戴莖流植物傳感器能對每一株植物進行精細觀測，將植物的一舉一動盡收“眼底”。其貼附在植物莖葉表麵，監測莖流狀況，從而可以實時掌握植物各個階段的生長發育情況。植物的莖流類似於人類的“血液”，是植物在蒸騰作用、滲透勢等內外部壓力下莖稈中產生的上升液流，承載了輸送植物水分、養分、信號分子的任務。目前，市麵上探測植物徑流的方式大多采用大型侵入式探測器，不僅操作不方便，在測量過程中還會對植物造成物理傷害。2021年3月9日，來自浙江大學的研究團隊利用芯片級的微納加工工藝，製造了一款可穿戴式莖流傳感器。這款傳感器輕薄如紙，厚度僅0.01毫米，重0.24克，貼在植物葉片上，如同“紋身”一樣。研究團隊利用先進微機械、材料和納米加工技術，讓此款傳感器具有超薄、柔軟、可拉伸且重量輕的特點，陽光、氧氣、水和二氧化碳等物質能自由通過傳感器，透水、透光、透氣性強，使得傳感器能在不幹擾植物自然生長的情況下與其長期共存。隨後，研究團隊利用莖流傳感器開展了一係列的實驗，他們在西瓜莖稈關鍵幾個點部署了傳感器，觀察水分在西瓜葉片、果實、莖稈上等不同器官的動態分配情況。通過對西瓜莖稈莖流數據的監測分析，研究團隊首次發現了西瓜果實生長與光合作用不同步的現象。在(zai)現(xian)下(xia)生(sheng)物(wu)教(jiao)科(ke)書(shu)中(zhong)，一(yi)般(ban)認(ren)為(wei)植(zhi)物(wu)生(sheng)長(chang)主(zhu)要(yao)依(yi)靠(kao)光(guang)合(he)作(zuo)用(yong)的(de)能(neng)量(liang)積(ji)累(lei)，而(er)夜(ye)間(jian)以(yi)消(xiao)耗(hao)生(sheng)物(wu)量(liang)的(de)呼(hu)吸(xi)作(zuo)用(yong)為(wei)主(zhu)，所(suo)以(yi)果(guo)實(shi)的(de)生(sheng)長(chang)也(ye)應(ying)與(yu)植(zhi)株(zhu)一(yi)樣(yang)主(zhu)要(yao)在(zai)白(bai)天(tian)，即(ji)與(yu)光(guang)合(he)作(zuo)用(yong)同(tong)步(bu)。西瓜果實的水含量高達95%。研究團隊通過莖流傳感器測量發現，白天時，絕大部份水都被蒸騰作用消耗掉，最後隻有不到5%的水被運輸入果實用於生長；但是到了夜間，幾乎所有的水分都被運輸到果實，絕對莖流量相對日間增加了10倍。
“baitianjileideguanghechanwudaozhideshentoushichayinggaishiyewanjingliujizengdezhuyaoyuanyin。tongshi，yewanmeiyouzhengtengzuoyongxiaohaoshuifen，cushidaliangjingliushurudaoxiguaguoshi，congershixianleguoshidezhongliangzengjiayutijipengda”，科研人員表示，這一發現間接證明了西瓜果實生長主要在夜間。基ji於yu其qi對dui西xi瓜gua等deng耐nai旱han作zuo物wu體ti內nei水shui分fen運yun輸shu和he抗kang旱han機ji理li的de解jie析xi，植zhi物wu可ke穿chuan戴dai式shi莖jing流liu傳chuan感gan器qi具ju有you良liang好hao的de應ying用yong前qian景jing，將jiang為wei全quan球qiu幹gan旱han地di區qu的de農nong業ye生sheng產chan、節水灌溉、抗旱作物選育等提供新理論依據和技術支持，推動作物高產育種及栽培技術發展。無獨有偶，北卡羅萊納洲立大學的Giwon Lee博士、魏青山教授和朱勇教授也專注於植物傳感器的研究開發。他們將可穿戴植物傳感器按功能分為植物生長傳感器、生理與周圍微氣候傳感器、化學傳感器以及多功能傳感器，並強調它們連續監測植物生長的功能，在解決當前精準農業問題中具有廣泛應用前景。zaizhiwushengchangguochengzhong，zhiwuxuyaotongguozaishengwuhefeishengwuxiepotiaojianxiaxiangkongqizhongpaifangduozhongqiti，congertiaojiezhiwudeshenglibingyuzhouweihuanjingjinxingjiaoliu。shengchangdetezhengzaiyujixiebianxing，rushentijingganbuweidepengzhanghuoshenchang，zhiwushengchangchuanganqikeyijiancezhiwubutongzuzhibianxinghuopengzhanglaigenzongwulishengchang。植物生理與周圍微氣候傳感器是基於光學、電容或電阻操作機製創造而成，主要研究植物的功能和行為，如光合作用、蒸騰作用和呼吸作用，以及植物與周圍環境氣候之間的交流。植物非常容易受到化學壓力影響，在空氣中，往往會含有氮氧化物（NO x）、臭氧（O 3）等空氣汙染體，當植物受到汙染威脅，會通過向大氣釋放揮發性有機化合物（VOC）和過氧化氫（H 2O 2）發出信號。化學傳感器可以監測分析植物的VOC排放和有無有毒化學物質，從而幫助植物健康成長。除了上述的單一刺激響應傳感器，還有一種集成傳感器可以同時監測成長、生理、微氣候等多個參數，能對植物生長健康狀態進行全麵監測。
近年來，智慧農業、精jing準zhun農nong業ye快kuai速su發fa展zhan，傳chuan感gan器qi技ji術shu在zai農nong業ye領ling域yu將jiang發fa揮hui至zhi關guan重zhong要yao的de作zuo用yong，幫bang助zhu農nong業ye原yuan始shi信xin息xi的de采cai集ji與yu獲huo取qu，實shi現xian對dui植zhi物wu的de科ke學xue精jing準zhun管guan控kong與yu治zhi理li，從cong而er達da到dao作zuo物wu高gao產chan優you質zhi。muqian，kechuandaizhiwuchuanganqihaichuyuyanfajingjinjieduan，zaishijiyingyongzhongmianlinzhezhuduotiaozhan。suizhezhiwushenglixuedefazhanyijixiangguanyanjiudeshenru，zhiwushenglichuanganqijianghuichaozhewusunzaixianshijiancefangxiangfazhan，tigaolingmindu、高精度，研發多種類微型化、智能化的傳感器，達到真正的無線網絡化、數字化。未來，積極的合作研究將推動這些新型傳感器進一步的商業開發。
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