用于精准农业的柔性植物温湿度传感器：当前挑战和未来路线图

用于精准农业的柔性植物温湿度传感器：当前挑战和未来路线图

柔性植物温湿度传感器是精准农业领域的重要技术之一，能够准确、同步地观测植物小气候的温湿度变化，为优化作物生长环境、抵御非生物胁迫、提高作物产量提供关键信息。本文综述了柔性植物温湿度传感器在精准农业应用中的重要性和最新进展，重点介绍了植物传感器的结构、工作原理、传感机理和制造材料，综述了植物在分子水平上响应非生物胁迫的关键温度和湿度感应途径。本文还讨论了温湿度传感器在智能和精准农业中的主要应用、当前面临的挑战和未来前景。

图1 柔性植物传感器

图2 温度传感器的结构和工作原理。a)土壤柔性温度传感器图形演示。b)用于精确测量土壤湿度的薄膜聚合物芯片传感器和用于精确测量土壤温度的芯片压阻传感器。这个图像插入指定MEMS传感器。(c)阐述了温度传感器的测量操作系统。(d)给出了应用喷墨打印技术设计的温度传感器的结果

图3 湿度传感器的结构和工作原理

图4 a)氧化石墨烯和SPS-PEDOT NPs的热还原喷墨打印。b)表示丝网印刷电极和凹印基板传感层。c)在NaNBO3纳米纤维上采用自旋镀膜策略制备PDMS，然后通过溅射阴影掩膜沉积电极。d)湿化学法制备Cd-ZnO纳米线及传感器件结构。e)基于光固化的聚合物网络合成，然后通过应用直流溅射技术和丙烯酸(PMMA)阴影掩膜进行电极沉积。

图5 压阻式植物传感器的工作原理：a)表示微尺度的裂纹。b)表示导电基板层与电极的连接面积。c)展示连续活动元素的链接、非链接和隧道特征。

图6 电容式植物传感器的工作原理，包括可变d、A和IDC。

图7 柔性温度传感器的不同碳材料。

图8 由金属基板制成的各种柔性植物温度传感器。a)表示安装在PDMS基板上具有周期性畸形排列的柔性传感器。b)为喷墨印刷的Kapton基板上的银金属温度传感器。c)柔性温度传感器照片。。d)表示基于一个晶体管和一个热敏电阻的温度传感器的图形图像。

图9 扫描电镜照片显示了不同类别的湿度传感基板的地形。a)显示聚乙烯氧化物基聚合物。 b)表示PEDOT的复合材料:PSS+PVA。 c)表示hBN的二维薄片。 d)表示二维MoS2薄片。 e)表示PEO+MoS2有机无机材料的复合材料。

图10 该图显示了一个柔性植物叶片温度传感器。a)叶片上部集成的图案装置示意图，用于检测温度变化。b)植物传感器图解说明。c)表示安装在叶片上部的植物传感器。d)显示植物传感器集成在叶片上20天，并一起生长。e)表示裸叶气孔(对照组)和带传感器叶片气孔(实验组)。所设计的植物传感器可以通过不分层的弯曲来调节叶片的形状，包括f)向内弯曲和g)向外弯曲

图11 由红外热成像仪测量的冠层温度

图12 利用RFID传感器检测叶片温度

图13 用于环境监测的自主植物可穿戴传感器，包括温度和湿度。a)集成便携式系统图像，表示设计的传感器在叶片表面的位置。电线将开发的传感器连接到PSoC和电池。b)用于检测工厂周围温度变化的制造和商用传感器的比较。c)用自制传感器和市售湿度传感器实时监测工厂周围的湿度

图14 a-e)表示植物刺青传感器在叶片表面发育和粘附的示意图。a)在水活性粘合剂(WAA)层合的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜上制备金(au)层，设计au /PET/WAA复合材料。b)随后，Au/PET薄膜从设计的复合材料中分离出来，通过精密切割机生成所需传感器的图案。c) Au/PET膜中不需要的区域从WAA片上去掉，只留下生物电电极、温度传感器和含水量传感器。d)用水喷洒WAA片材，以促进叶片表面设计传感器的转移。e)去除支撑层后，将传感器直接粘附在叶片表面。f, g)表示附着在植物叶片上的多功能纹身传感器的光学图像。f)显示玉米植物的叶子，g)显示Pothos植物的叶子。

图15 精研以运行电子设备的电磁能量采集器为基础的一种天然叶子。a)设计器件到自供电电子器件的电路示意图说明。b)电场强度约为518.6 V/m的植物源式电磁能量采集器运行电子设备示意图。c)图像表示能量采集设备对数字时钟的驱动。d)照片表示温湿度传感器的驱动。e)驱动数字时钟的电压和电流曲线

图16 用于跟踪植物蒸腾作用的激光诱导柔性湿度传感器

图17 自驱动柔性湿度传感器，适用于多种应用。

图18 基于实验室的湿度和土壤湿度测量传感器

图19 用于测量植物生理参数的柔性植物传感器。a)实时监测植物含水量的传感器。a-i)测量干旱应力的柔性湿度传感器。A -ii)安装在叶片下表皮的柔性植物湿度传感器。a-iii)测量干旱应力随时间变化的传感器。基于电容的植物湿度传感器，用于检测相对时间的干旱胁迫。b)带式石墨烯功能材料的植物相对湿度传感器。b-i)可穿戴柔性传感器位置及工作原理。b-ii)植物相对湿度传感器由石墨烯制成，参考相对湿度传感器放置在叶片背面。b-iii)实时测量植物叶片相对湿度的传感器。c)植物柔性传感器，测量其生长模式。c-i)应用直接印刷技术制备壳聚糖油墨柔性植物应变传感器示意图。c-ii)葫芦植物的生长模式

图20 a)叶片表面集成湿度传感器，b)多模态植物传感器示意图阐述，c)湿度实时监测，d)湿度传感器的传感过程

图21 用于健康监测的植物蒸腾速率测量说明。叶片气孔开闭环境(a)日光/白天(b)黑暗/夜晚。(c)阳光下和(d)黑暗下气孔活动的演示(a & b)图像。蒸腾测绘传感器粘附在叶片的下侧，(e)表示叶片的正面，(f)表示叶片的背面。(g)光照下11.8 h的湿度测量和(h)黑暗环境下23.9 h的湿度测量，然后(i)光照85.7 h。(j & k))粘附在叶片下表面的柔性传感器前后侧面的图像。(i)使用柔性植物湿度传感器进行近350小时的蒸腾测量。

图22 LPL-TENG驱动植物湿度和风速监测传感器示意图

原文来自：
Muhammad Ikram. et al. (2024) Flexible temperature and humidity sensors of plants for precision agriculture: Current challenges and future roadmap. Computers and Electronics in Agriculture, 109449.