編者按：為了解前沿科技動態(tài)，科普中國前沿科技項目推出“帶你讀懂科學頂刊”系列文章，精選權威期刊的優(yōu)秀論文，第一時間用通俗語言進行解讀。讓我們透過頂刊之窗，拓寬科學視野，享受科學樂趣。

?

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？隨著可穿戴設備的發(fā)展，這一設想正在逐漸成為現(xiàn)實。

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

智能手表監(jiān)測人體信息

（圖片來源：veer圖庫）

?

給植物“穿上”可穿戴設備，并非易事

當下，可穿戴設備已經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、血壓等復雜生理參數(shù)的高級設備。然而，當我們將視野轉向植物健康監(jiān)測時，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的可穿戴設備不論是在穿戴方式、能源供給或者監(jiān)測技術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，對設備的穩(wěn)定性和耐久性要求更高。如何在保證設備輕巧、不影響植物生長的同時，實現(xiàn)長期穩(wěn)定的能源供給，是植物可穿戴設備發(fā)展的關鍵挑戰(zhàn)。

最后，植物的生理構造與人體大不相同，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備的尺寸和供能問題，需要監(jiān)測哪些生理指標以及如何監(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）

葉綠素是植物進行光合作用的關鍵色素，其含量的變化直接與植物的生長和產量有關。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。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，不僅關系到植物體內的水分平衡和礦質鹽的運輸速度，還與葉溫等生理反應密切相關。蒸騰速率的測定有利于探索植物對環(huán)境的適應性、評估植物的水分利用效率以及指導農業(yè)生產實踐。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。這一指標對于揭示植物對水分的吸收、轉移和分配至關重要，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，植物可穿戴設備到底要監(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，具有重要的研究價值。2024年12月4日，中國科學家研制了一種形似“太陽花”的設備，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，相關成果發(fā)表于《Science Advances》雜志。

形似“太陽花”的植物可穿戴設備

（圖片來源：參考文獻1）

這種植物可穿戴設備集成了熱敏電阻。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信號。熱敏電阻在通電工作時會產生局部熱量，當植物汁液流動時，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。

植物可穿戴設備示意圖和內部元件連接示意圖

（圖片來源：參考文獻1）

?

植物戴上這種設備，會不舒服嗎？

“太陽花”結構的設計，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。花瓣狀的電池板通過柔性的蛇形銅線連接在一起，形成了一個特殊的“太陽花”結構。

該可穿戴設備的質量較輕（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。

植物“佩戴”可穿戴設備30天后的變化對比圖

（圖片來源：參考文獻1）

研究者將該可穿戴設備安裝在南瓜莖部，經過30天的“佩戴”，其生長沒有出現(xiàn)明顯的負面影響，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”結構的設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)直射產生的熱量，太陽能轉化效率可以達到19.49%。并且，太陽能電池板在經過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備對LED的閃爍時間和頻率進行捕獲，實現(xiàn)植物汁液流動信息的記錄。

可穿戴設備的光通信方法示意圖

（圖片來源：參考文獻1）

該植物可穿戴設備利用小型LED作為發(fā)射器，設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生的電能完全可以覆蓋設備的電能消耗量。即使是遇到極端天氣，該可穿戴設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備運轉。

探測器在真實農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1）

?

結語

科技的發(fā)展使可穿戴設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”。植物可穿戴設備的問世提高了科學種植的能力，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在農業(yè)的應用，為我們提供更加科學和更加高效的種植方式。

?

參考文獻：

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.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, 2013.
4. 陸元洲,江朝暉,李想,等.植物水分含量檢測綜述[J]. 中國農學通報, 2015.
5. 丁筱玲,趙立新,張業(yè)民.植物莖液流速及蒸騰量動態(tài)測試儀[J]. 農業(yè)工程學報, 2000.