Мультимодальная гибкая сенсорная система для мониторинга здоровья растений

Биотические и абиотические стрессы угрожают росту и урожайности растений. Точный мониторинг их состояния важен, но традиционные громоздкие датчики часто ограничены контролируемыми условиями или камерами.

Одна из стратегий — интеллектуальное взаимодействие с растениями через гибкие сенсоры. Однако сложность физиологических сигналов растений и необходимость долговременного синхронного отслеживания нескольких факторов стресса без ухудшения работы и перекрестных помех создают трудности.

В исследовании, опубликованном в ACS Nano, учёные из Университета префектуры Осака (OPU) представили интегрированную мультимодальную гибкую сенсорную систему. Она включает датчики:

  • влажности в помещении,
  • влажности листа,
  • оптический датчик,
  • температурный датчик.

Система способна выявлять потенциальные физиологические проблемы. На примере Pachira macrocarpa с помощью этих растительно-машинных интерфейсов и учёта процесса транспирации визуально зафиксированы условия обезвоживания при долгосрочном мониторинге (>15 дней).

Ключевой элемент системы — гибкий сенсор на основе многослойных нанолистов ZnIn2S4 (ZIS). Этот материал впервые применён в датчике влажности. Сенсор демонстрирует:

  • Быстрый отклик на световое излучение (~4 мс).
  • Способность мониторить влажность с устойчивой долговременной работой.

Механизм сенсорного отклика на влажность был детально исследован теоретически и экспериментально. Система в реальном времени измеряет три основных абиотических стресса, управляющих транспирацией (влажность, свет, температура), без эффекта перекрестной связи сигналов.

Цитаты исследователей:

  • Проф. Дэ-Хён Ким: «Большинство гибких сенсоров применяются для мониторинга здоровья человека или человеко-машинных интерфейсов. Предложенная концепция системы для мониторинга состояния растений может открыть путь к интеллектуальному сельскому хозяйству».
  • Проф. Кунихару Такэи (руководитель проекта): «Рациональным подбором активных сенсорных материалов и электродов мы добились долговечной работы сенсоров для долгосрочного отслеживания абиотических стрессов и сбора многоканальных сигналов без перекрестных помех».

Перспективы развития включают:

  1. Дальнейшее уменьшение толщины и веса системы.
  2. Расширение функциональности для реакции на другие биотические и абиотические стрессы.
  3. Улучшение возможностей декодирования химических сигналов растений в пространственно-временных паттернах.
  4. Учёт влияния на показания сенсоров таких газов окружающей среды, как CO2, O2 или NOx.