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