Um sistema de monitoramento de pulso de planta integrado e robusto baseado em sensor vestível biomimético

Oct 23, 2023

npj Flexível Electronics volume 6, Número do artigo: 43 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Os sensores vestíveis de plantas têm potencial para fornecer medições contínuas de informações fisiológicas da planta. No entanto, o monitoramento estável e de alta fidelidade de plantas com pelos glandulares e cera é um desafio, devido à falta de adaptabilidade da interface dos sensores vestíveis de plantas convencionais. Aqui, inspirado por gavinhas de plantas de enrolamento adaptativo, foi desenvolvido um sistema integrado de vestimenta de planta (IPWS) baseado em sensor de deformação de enrolamento adaptável (AWS) para monitoramento de pulso de planta. O IPWS consiste em três módulos, ou seja, um sensor AWS, um circuito impresso flexível e uma interface de exibição de APP para smartphone. Como elemento-chave, o sensor AWS pode envolver de forma adaptativa o caule do tomate. É importante ressaltar que, com o grafeno induzido por laser com padrão de serpentina, o sensor AWS exibe excelente resistência à interferência de temperatura com um coeficiente de resistência à temperatura de 0,17/°C. O IPWS demonstrou ser estável e de alta fidelidade monitorando o pulso da planta, o que pode refletir o crescimento e o estado da água da planta de tomate em tempo real.

A comunicação com plantas silenciosas para obter suas informações de crescimento é importante para o estudo do mecanismo e melhorar o rendimento das culturas1,2,3,4,5. Estudos têm mostrado que o processo de crescimento da planta é semelhante à contração e expansão do pulso humano, que se traduz na contração e expansão do caule durante o dia e à noite6,7,8. E a expansão repetida leva ao crescimento da planta. Na verdade, o pulso vegetal está relacionado à absorção e transpiração de água pelas plantas8,9,10. Durante o dia, quando a maioria dos estômatos nas folhas está aberta e a transpiração de água pelas folhas é maior que a absorção de água pelas raízes, o diâmetro do caule quase não muda ou diminui. À noite, quando os estômatos das folhas estão fechados, a planta absorve mais água das raízes do que a evaporação da água das folhas, e o caule se expande. Quando a água é escassa, o caule encolhe obviamente. Portanto, monitorar o pulso da planta pode entender a relação entre o crescimento da planta e o abastecimento de água.

Atualmente, os sensores aplicados para monitoramento de pulso da planta são principalmente sensores de transdutor variável linear rígido (LVDT)11. Sensores LVDT volumosos e pesados ​​são de difícil fixação e possuem força de pré-aperto nas plantas8, o que não é adequado para o monitoramento de mudas de plantas, pois o crescimento da semeadura das plantas é fundamental para o pegamento e rendimento dos frutos. Recentemente, sensores de deformação flexíveis que podem ser usados ​​em plantas mostraram um enorme potencial para medir continuamente o crescimento das plantas12,13,14. Nos últimos anos, vários sensores de deformação planar para monitoramento do crescimento vegetal foram desenvolvidos2,3,4. No entanto, ainda existem alguns desafios na aplicação de sensores de deformação planar para o monitoramento de pulso da planta. Em primeiro lugar, os pêlos glandulares compactos e a cera no caule da planta afetam a fixação de sensores planares vestíveis. Os sensores presos às plantas por fita não são propícios ao crescimento das plantas e podem cair durante o monitoramento de longo prazo. Além disso, o ambiente complexo representa uma ameaça à estabilidade dos sensores15. De fato, o ambiente de crescimento vegetal é complexo e mutável, como mudanças de luz, umidade e temperatura, o que pode levar à perda da fidelidade dos dados dos sensores16. Finalmente, o método de aquisição de dados com fio tem as desvantagens de cabeamento pesado e alto custo. Até onde sabemos, ainda não houve nenhum sistema de detecção vestível com adaptabilidade flexível e excelente desempenho anti-interferência relatado para monitoramento de pulso da planta. Portanto, é necessário desenvolver um sistema de detecção vestível da planta com adaptabilidade flexível, desempenho anti-interferência e transmissão de dados sem fio para monitorar o pulso da planta.

Aqui, foi desenvolvido um sistema vestível de planta integrado (IPWS) baseado no sensor de deformação de enrolamento adaptável (AWS) para monitoramento sem fio do pulso da planta (Fig. 1a). O IPWS consiste em três módulos, ou seja, um sensor AWS, um circuito impresso flexível e uma interface de exibição de APP para smartphone. O elemento-chave, o sensor AWS, foi projetado inspirado nas gavinhas da planta, que podem envolver de forma adaptativa o caule do tomate sem qualquer pasta ou adesivo. Essa estrutura de gavinha biomimética converte uma tensão de alongamento direto no efeito de curvatura e evita a deficiência de tensão da fratura por trinca. Além disso, o sensor AWS exibe resistência à interferência de temperatura por meio do design com padrão de serpentina, tornando realidade o monitoramento de longo prazo e anti-interferência para o pulso da planta. A expansão e o encolhimento da haste podem estimular o sensor AWS a gerar variação de resistência, que pode ser registrada pelo IPWS que transmite os dados de variação de resistência para o smartphone sem fio. Os resultados mostram que o sistema IPWS pode monitorar com precisão o pulso da planta para diagnosticar o crescimento e o estado da água do tomateiro.