为植物设计的可穿戴传感器：可测量农作物水分状况！
导读
美国爱荷华州立大学的科研人员开发出一种新型、低成本、易生产、石墨烯基的传感器。它位于胶带上，能够简便地粘贴到植物上，为科研人员和农民提供有关植物水分的数据。
背景
众所周知，农业用水占据世界淡水用量的70%，水资源的可利用量决定了农业的命运。提高农业方面的水资源利用率，意义不容小觑。
（图片来源：USDA）
去年，笔者介绍过美国宾州州立大学农业科学学院开发出的植物叶子传感器，它通过测量植物叶片厚度以及叶片电容，告知农民应该何时激活灌溉系统，从而防止水资源浪费和植物缺水。
（图片来源：宾州州立大学）
创新
今天，笔者要介绍的也是一种植物叶子传感器，同样它也可以用于检测植物水状态，但从原理的角度来说，这种传感器与之前介绍的植物叶子传感器却是大相径庭。
最近，美国爱荷华州立大学（Iowa State University）植物学家 Patrick
Schnable 描述了如何测量两种谷物植物从根部运输水分至下部叶，然后再到上部叶所需的时间。
这一切要归功于他和同事们开发的一种位于胶带上的微型石墨烯基传感器。它可以贴到植物上，因此研究人员也称之为“植物纹身传感器”，它能够为研究人员和农民有关植物水分的数据。
（图片来源： Liang Dong / 爱荷华州立大学）
在一篇于2017年12月刊登于《先进材料技术》（Advanced Materials Technologies）杂志封面的论文中，研究人员描述了各种传感器以及用于制造柔性传感器的“图案化和转移石墨烯基纳米材料的简单灵活的方案”。
爱荷华州立大学电气与计算机工程系副教授 Liang Dong 是论文的领导作者以及这项技术的开发者。该校电气与计算机工程系博士生 Seval Oren
帮助开发了传感器制造技术。帮助测试传感器应用的论文合著者有：爱荷华州立大学植物科学研究所主任、农业与生命科学系教授、谷物推广委员会遗传学特聘教授、农业企业家贝克学者 Schnable ，以及土木、建筑和环境工程系教授 Halil Ceylan。
技术
说起这种石墨烯基的传感器，首先不得不回顾一下享有“黑金”、“新材料之王”等美誉的新材料石墨烯。
它是目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。其应用领域非常广阔，例如：柔性电子、高效晶体管、新型传感器、新材料、电池、超级电容、半导体制造、新能源、通信、太赫兹技术、医疗等方面。
（图片来源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）
接下来，再介绍另外一个关键技术点：这种传感器的制造工艺。
研究人员开发出一种新工艺，在胶带上制造出错综复杂的石墨烯图案。Dong 说，第一步就是通过成型工艺或者3D打印技术，在聚合物块的表面上创造出花纹图案。工程师们再将液态石墨烯溶液倒到聚合物块上，填满这些花纹图案，并使用胶带去除过量的石墨烯，然后再使用另外一条胶带扯开石墨烯图案，最终创造出胶带上的传感器。
这项工艺制造出的精准图案，宽度可低至百万分之五米，这个宽度只有人类头发丝平均直径的二十分之一。Dong 表示，制造出如此微小的图案有利于增加传感器的灵敏度。
然而，这种传感器测量水蒸气的原理又是什么样的呢？
对于植物研究来说，传感器是采用氧化石墨烯制成的，这种材料对于水蒸气非常敏感。水蒸气的出现改变了材料的导电性，这种改变可以被量化，从而精准地测量出一片叶子的蒸腾作用（水蒸气的释放）。
最后，我们来看看这种传感器的测试情况。
Dong 表示，这些植物传感器已经在实验室和专门场地的成功地实验。来自美国农业部农业和食品研究计划提供一项472,363美元的三年期新赞助，将支持关于研究农业植物中水分传输的更多的实地测试。
价值
这种传感器不仅低成本，而且易生产，此外也便于实施到农作物上。Dong 表示：“制造工艺非常简单。你只需要使用胶带，就可以制造出这些传感器。其成本只有几美分。”
他又说：“对于我们迄今为止所测试的基于胶带的传感器来说，最令人激动的应用就是植物传感器。针对植物的可穿戴电子传感器的概念是全新的。植物传感器非常微小，可以检测植物的蒸腾作用，且不会影响植物生长或者庄稼收成。”
然而，这一点并不是所有的传感器都可以做到。对于更广泛的应用来说，这项技术开辟了一条“全新的途径”。在论文中作者写道，这些传感器可用于生物医学诊断、建筑结构完整性测试、环境监测、以及经过修改用于庄稼疾病或者杀虫剂测试。
这项研究中使用的位于胶带上的石墨烯技术，也被用于制造可穿戴的应力和压力传感器，包括内置于“智能手套”中用于测量手部运动的传感器。
关键字
参考资料
【1】https://www.news.iastate.edu/news/2018/01/03/planttattoosensors
【2】Seval Oren, Halil Ceylan, Patrick S. Schnable, Liang Dong. Wearable Electronics: High-Resolution Patterning and Transferring of Graphene-Based Nanomaterials onto Tape toward Roll-to-Roll Production of Tape-Based Wearable Sensors (Adv. Mater. Technol. 12/2017). Advanced Materials Technologies, 2017; 2 (12): 1770055 DOI: 10.1002/admt.201770055
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