自供电的可穿戴植物叶绿素传感贴片

《Biosensors and Bioelectronics》：Self-powered wearable plant chlorophyll sensing patch

　　智能农业中的叶绿素自供电监测系统设计及其应用

　　植物健康监测是实现智慧农业的重要环节。通过实时、准确地评估植物的生理状态，可以为作物生长管理、精准施肥以及产量预测提供关键数据支持。然而，目前的植物叶绿素检测方法在实际应用中存在诸多限制，无法满足长期、非侵入式的监测需求。为此，研究人员提出了一种新型的自供电叶绿素监测系统，该系统不仅能够快速、无损地测量叶绿素含量，还具备长期无人值守运行的能力，从而为智慧农业的发展提供了新的技术路径。

该系统的核心部分是微型化的植物叶绿素传感贴片（Plant Chlorophyll Sensing Patch, PCSP），它采用反射光学模式，厚度仅为4.8毫米，重量约2.6克，具有良好的柔韧性和可穿戴性。PCSP的结构设计巧妙，其上集成了一颗绿色发光二极管（Light Emitting Diode, LED）和四个对称分布的光电探测器（Photodetectors, PDs）。这些组件被封装在一个柔性的基底上，并覆盖了一层具有光引导功能的材料（Light-Guiding Layer, LGL），使得整个装置能够紧密贴合于植物叶片表面，实现对叶绿素含量的连续监测。该装置通过测量叶片对特定波长光的反射强度，计算出叶绿素含量指数（Chlorophyll Content Index, CCI），其与实际叶绿素含量之间呈现出良好的线性关系（r2 > 0.9），这表明PCSP具有较高的测量精度和可靠性。

除了高效的传感模块，该系统还采用了由太阳能电池（Photovoltaics, PV）、摩擦电纳米发电机（Tribovoltaic Nanogenerator for Wind Energy Harvesting, WTVNG）和土壤微生物燃料电池（Soil Microbial Fuel Cell, SMFC）组成的三重能源收集系统（Power-Wind-Soil System, PWSS），实现了对传感器系统的自供电。这种能源系统的设计不仅降低了对传统电池的依赖，还提高了系统的可持续性和环境适应性。其中，WTVNG利用摩擦电效应，通过叶片表面的微风驱动，将机械能转化为直流电能，避免了传统风力发电机需要复杂的整流电路所带来的能量损耗和成本增加。SMFC则通过土壤中的微生物代谢活动，将有机物分解过程中释放的电子转化为电能，这一过程既环保又无需外部干预。太阳能作为主要的能源来源，其转换效率高且技术成熟，为整个系统提供了稳定的能量基础。通过将这三种能源整合在一起，系统能够在多种环境下保持持续运行，从而实现对植物的长期监测。

在实际应用中，该系统结合了生物传感、柔性电子和智能算法技术，使得叶绿素检测不仅更加高效，还具备了更强的数据处理能力。通过引入长短期记忆网络（Long Short-Term Memory, LSTM）算法，系统能够对连续监测到的叶绿素数据进行分析，从而识别植物的应激状态并预测其未来的变化趋势。与传统的叶绿素测定仪相比，这种新型系统能够在更早的阶段检测到植物的健康变化，为农业管理提供更及时的决策支持。此外，系统还能够通过无线方式将监测数据传输至智能手机或其他终端设备，便于用户实时查看和分析数据，进一步提升了系统的实用性和智能化水平。

从技术角度来看，PCSP和PWSS的协同工作是该系统实现长期、无人值守监测的关键。PCSP的柔性设计使其能够适应不同形状和大小的植物叶片，而PWSS则确保了系统在没有外部电源的情况下仍能稳定运行。这种自供电机制不仅减少了维护成本，还避免了因频繁更换电池而可能对植物造成的影响。同时，由于PCSP的体积小巧，且具备良好的环境适应性，其可以广泛应用于农田、果园、温室等多种农业生产场景。此外，该系统还具备一定的抗干扰能力，能够在复杂环境中保持较高的测量精度，为智慧农业的精细化管理提供了有力的技术支撑。

该研究的创新点在于，首次将反射光学原理与三重能源收集技术相结合，构建了一个完整的植物叶绿素监测系统。这种系统不仅解决了传统方法在能源供应上的不足，还提高了监测的实时性和准确性。在实际应用中，该系统能够帮助农民及时发现作物生长中的异常情况，如干旱、病虫害、营养缺乏等，从而采取相应的管理措施，提高作物产量和质量。此外，由于系统能够持续监测叶绿素含量，还为研究植物在不同环境条件下的生理变化提供了宝贵的数据支持，有助于深入理解植物生长机制并优化农业管理策略。

目前，智慧农业的发展仍面临诸多挑战，特别是在数据采集和能源供应方面。传统的方法往往依赖于人工操作，不仅效率低下，还容易产生人为误差。而该自供电系统则通过自动化的方式实现了对植物状态的持续监测，大大提高了数据采集的准确性和时效性。同时，系统采用的多能源互补策略，使得其能够在不同环境条件下保持稳定的运行状态，无论是在光照充足的白天，还是在阴雨天气或夜间，都能够持续提供动力。这种设计思路不仅适用于农田，还可以扩展至森林、湿地等自然环境中，为生态监测和环境评估提供了新的工具。

在实际部署过程中，该系统还考虑了对植物的最小干扰。PCSP的轻量化设计和柔性的基底材料，使其能够长时间贴附在植物叶片上而不影响其正常生长。此外，LGL的粘附特性使得装置能够紧密贴合叶片表面，减少外界环境对测量结果的干扰。这些设计细节不仅提高了系统的测量精度，还增强了其在实际应用中的可行性。研究人员还通过实验验证了系统的性能，包括其在不同光照条件下的能量输出能力和在多种植物叶片上的适应性。结果表明，该系统能够在多种条件下稳定运行，并且具有较高的测量精度和可靠性。

从长远来看，该系统的应用将推动智慧农业向更加智能化和自动化的方向发展。随着物联网（Internet of Things, IoT）技术的不断进步，该系统可以与其他农业监测设备进行集成，形成一个更加全面的农业数据采集网络。通过实时传输和分析叶绿素含量数据，农民可以更加精准地掌握作物的生长状况，及时调整灌溉、施肥和病虫害防治策略，从而实现资源的高效利用和产量的稳定增长。此外，该系统还可以用于科研领域，为植物生理学、生态学和农业工程的研究提供高质量的数据支持。

在可持续农业发展的背景下，该系统的环保特性也值得关注。PWSS采用的太阳能、风能和土壤化学能均为可再生资源，其运行过程对环境的影响极小。相比之下，传统的电池供电系统不仅需要定期更换电池，还会产生一定的废弃物，对环境造成负担。而该自供电系统则能够有效减少对传统能源的依赖，降低碳排放，符合绿色农业的发展理念。同时，由于系统能够长期运行，其在减少人工干预、降低运营成本方面也具有显著优势。

该研究的意义不仅在于技术的创新，还在于其对农业实践的深远影响。通过将先进的传感技术和能源收集技术应用于植物健康监测，该系统为实现农业生产的智能化管理提供了新的可能性。未来，随着技术的不断优化和成本的降低，该系统有望在更大范围内推广和应用，为全球农业可持续发展贡献力量。此外，该系统的成功开发也为其他生物传感设备的能源供应问题提供了借鉴，推动了柔性电子和自供电系统在农业领域的进一步应用。