Nano Res.[制造]│河南农业大学吴俊锋课题组联合郑州大学周震教授传感器领域重要综述进展:新兴植物可穿戴传感器助力智慧

全球气候变化引发的极端天气、粮食需求持续增长带来的生产压力，以及化肥农药过度使用造成的生态问题，正推动农业向精准化、可持续化转型。传统农业依赖人工单点监测，数据滞后、干扰作物生长，已无法适配现代生产需求。而刚性传感器因体积大、易损伤植物、测量误差大等缺陷，难以实现长期稳定监测。

植物可穿戴传感器（PWSs）作为智慧农业的核心技术，凭借柔性贴合、生物兼容、无损监测的特性，可实时捕捉植物水分、生长、生化信号，成为解决上述痛点的关键。但该领域起步晚、跨学科性强，需整合材料、制造、能源、通信、建模等多领域技术，且植物的持续生长、无自我修复能力、户外严苛环境等独特属性，对传感器的机械适应性、生理兼容性、环境鲁棒性提出了极高要求，其技术迭代与规模化应用仍面临诸多瓶颈，亟需系统性综述梳理发展脉络与突破方向。

近日，河南农业大学吴俊锋团队联合郑州大学周震教授，在《Nano Research》发表题为“Emerging plant wearable sensors: Materials, manufacturing, multiscale modeling, and applications”的综述论文。

该论文系统追溯了 PWSs 从柔性电子衍生到植物专属技术的发展历程，全面覆盖其分类体系（电位型、电容型、电阻型、光学型）、核心材料（柔性基底、传感层、封装层）、制造工艺（激光直写、3D 打印等）、自供能技术（摩擦纳米发电机、柔性太阳能电池等）与农业应用场景。突出密度泛函理论（DFT）、有限元分析（FEA）、机器学习（ML）构成的多尺度建模技术，三者协同推动 PWSs 从 “试错研发” 向 “理性设计” 转型。论文清晰剖析不同类型传感器的性能优劣与适用场景，为高性能 PWSs 的田间部署及从实验室到实际应用的转化提供了系统性指导。

图1 植物可穿戴传感器系统架构。

图2 不同的能源供应策略。(a) OSCs的开发和应用；(b)超级电容器的不同弯曲能力和稳定性；(c) TENG的结构和原理；(d)纱线状TENG从雨滴中收集能量；(e)基于Ag₂Se-rGO薄膜的TEG转移机制。

图3 薄膜和微纳图案的制备技术。（a）激光诱导石墨烯的制备过程；（b）电化学阳极氧化技术；（c）旋涂和激光切割；（d）溅射沉积；（e）化学沉积法；（f）喷墨打印；（g）3D打印。

图4 用于干旱和蒸腾监测的植物可穿戴传感器示例。（a）基于聚酰亚胺的叶面干旱传感器及烟草干旱响应；（b）基于氧化石墨烯的叶面湿度传感器及实时电容监测；（c）叶片传感器示意图及户外湿度监测结果；（d）柔性多模态监测装置及长期监测。

图5 植物生长的定量监测。（a）用于叶片生长监测的表面安装式应变传感器；（b）用于监测植物茎部生长的缠绕式传感器；（c）用于监测果实茎秆生长的环固定式传感器；（d）用于玉米生长监测的光纤传感器。

图6 气体监测PWSs。(a) NO₂；(b)臭氧；(c) VOC；(d)乙烯。

图7 用于其他化学品监测的PWSs。(a)农药残留甲基对硫磷监测；(b) H₂O₂和NO的监测；(c)葡萄糖监测。

图8 多尺度建模在PWS中的应用。（a）通过密度泛函理论（DFT）优化传感材料；（b）通过有限元分析（FEA）对传感器结构进行模拟；（c）基于传感器数据通过机器学习（ML）进行分析和预测。

图9 不同类型传感器的若干参数的雷达图。（a）带有基底的柔性电极，（b）无基底的柔性电极，（c）光学型传感器，（d）微针型传感器进行了对比。

通讯作者

吴俊锋，教授，博士生导师，研究方向为植物可穿戴传感器、先进能源器件、农业光谱技术及其人工智能算法分析、农业环境智能监测设备及系统开发。承担河南省联合基金，河南省自然科学青年基金，河南省高等学校重点科研项目计划，烟草公司横向课题等项目。

周震，二级教授，博士生导师，长江学者，英国皇家化学会会士。主持国家重点研发计划项目课题和国家自然科学基金重点项目等研究。在国内外期刊发表论文350余篇。论文被引用40000余次，h-index为114。2014-2022年连续九年入围“爱思唯尔”中国高被引学者榜。2018-2022年连续五年入选“科睿唯安”全球高被引科学家。现为Journal of Materials Chemistry A 和Green Energy and Environment 等期刊副主编、Journal of Power Sources 机器学习专题编辑、Interdisciplinary Materials 学术编辑以及Batteries & Supercaps 和《过程工程学报》等七本期刊编委、中国电子学会化学与物理电源技术分会第八届委员会委员、中国化学会理论化学专业委员会委员。

胡建东，二级教授，博士生导师，河南省特色学科“农业工程”农业电气化与自动化方向学术带头人，获得河南省高层次人才（C 类）、河南省教育厅创新型人才，郑州市领军人才，河南省农业激光技术国际联合实验室主任。承担国家自然科学基金、国家“863计划”重点项目子课题、国家重点研发计划、农业部948 项目、河南省杰出青年基金等多项国家级和省部级项目和课题。

张浩，副教授，硕士生导师，研究方向为农业信息光谱感知技术及应用、生物传感器和机器学习等。承担中国博士后基金，河南省自然科学基金，河南省科技攻关等项目。

第一作者

许露露，河南农业大学在读博士生，研究方向聚焦于植物可穿戴气体传感器的研发。研究成果发表于《Nature Communications》《Nano Reaearch》等知名期刊。