可穿戴植物传感器：北卡罗来纳州立大学工程师设计贴片来监测疾病和其他应激因素

罗利 – 北卡罗来纳州立大学的研究人员开发了一种植物可以“佩戴”的贴片，以连续监测植物病害或其他胁迫，例如农作物受损或极端高温。

“我们创建了一种可穿戴传感器，通过测量植物排放的挥发性有机化合物 (VOC)，以非侵入性方式监测植物的胁迫和疾病，”说 魏青山，该工作论文的共同通讯作者。魏是北卡罗来纳州立大学化学和生物分子工程助理教授。

目前测试植物胁迫或疾病的方法包括采集植物组织样本并在实验室中进行测定。然而，这只能为种植者提供一种测量结果，并且种植者取样和获得测试结果之间存在时间滞后。

植物在不同情况下会排放不同的挥发性有机化合物组合。通过针对与特定疾病或植物胁迫相关的挥发性有机化合物，传感器可以提醒用户注意特定问题。

“我们的技术持续监测工厂的挥发性有机化合物排放，而不损害工厂，”魏说。 “我们演示的原型存储了这些监控数据，但未来的版本将无线传输数据。我们开发的产品使种植者能够识别田间问题——他们不必等待收到实验室的测试结果。”

这些矩形贴片长 30 毫米，由含有石墨烯传感器和柔性银纳米线的柔性材料组成。传感器涂有各种化学配体，可响应特定 VOC 的存在，从而使系统能够检测和测量植物叶子排放的气体中的 VOC。

研究人员在番茄植株上测试了该设备的原型。该原型的建立是为了监测两种类型的压力：对植物的物理损害和植物感染 马铃薯晚疫病菌，引起番茄晚疫病的病原体。该系统在一到三个小时内检测到与物理损坏相关的 VOC 变化，具体取决于损坏与补丁部位的距离。

检测是否存在 马铃薯晚疫病菌 花了更长的时间。直到研究人员给番茄植株接种疫苗三到四天后，该技术才检测到挥发性有机化合物排放的变化。

“这并不比晚疫病视觉症状的出现快得多，”魏说。 “然而，监控系统意味着种植者不必依赖于检测微小的视觉症状。持续监测将使种植者能够尽快识别植物病害，帮助他们限制疾病的传播。”

“我们的原型已经可以高精度检测 13 种不同的植物 VOC，使用户能够开发定制的传感器阵列，重点关注种植者认为最相关的压力和疾病，”该论文的共同通讯作者朱勇说Andrew A. Adams 北卡罗来纳州立大学机械与航空航天工程杰出教授。

“还需要注意的是，这些材料的成本相当低，”朱说。 “如果扩大生产规模，我们认为这项技术将是负担得起的。我们正在尝试为现实世界的问题开发一种实用的解决方案，并且我们知道成本是一个重要的考虑因素。”

研究人员目前正在努力开发下一代贴片，可以监测温度、湿度和其他环境变量以及挥发性有机化合物。虽然原型是电池供电并现场存储数据，但研究人员计划未来的版本采用太阳能供电并能够无线数据传输。

该论文“通过可穿戴传感器对叶子挥发物进行化学电阻分析来实时监测植物胁迫，”发表在杂志上 事情。该论文的共同第一作者是前北卡罗来纳州立大学博士后、现深圳大学助理教授李宇轩和博士生李宇轩。北卡罗来纳州立大学的学生。该论文由北卡罗来纳州立大学植物病理学杰出教授 Jean Ristaino 共同撰写。 Oindrila Hossain、Rajesh Paul 和 Shuang Wu，他们是博士。北卡罗来纳州立大学的学生；姚珊珊（Shanshan Yao），前北卡罗来纳州立大学博士后，现任石溪大学助理教授。

这项工作是在北卡罗来纳州校长卓越教师计划的支持下完成的；凯南工程技术与科学研究所；北卡罗来纳州立大学改变游戏规则的植物科学计划研究激励计划 (GRIP4PSI)；美国农业部北卡罗来纳州人类健康与环境中心试点项目奖，编号 2019-67030-29311；美国农业部 APHIS 农业法案拨款编号 3.0096；和国家科学基金会，拨款号 1728370。

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原文来源： WRAL 技术线