Un sistema integrato e robusto di monitoraggio degli impulsi delle piante basato su un sensore indossabile biomimetico

Oct 23, 2023

npj Electrical Electronics volume 6, numero articolo: 43 (2022) Citare questo articolo

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I sensori indossabili per le piante hanno il potenziale per fornire misurazioni continue delle informazioni fisiologiche delle piante. Tuttavia, il monitoraggio stabile e ad alta fedeltà delle piante con peli ghiandolari e cera è impegnativo, a causa della mancanza di adattabilità dell’interfaccia dei sensori indossabili delle piante convenzionali. Qui, ispirandosi ai viticci delle piante con avvolgimento adattivo, è stato sviluppato un sistema indossabile integrato per le piante (IPWS) basato su un sensore di deformazione dell'avvolgimento adattivo (AWS) per il monitoraggio degli impulsi delle piante. L'IPWS è composto da tre moduli, ovvero un sensore AWS, un circuito stampato flessibile e un'interfaccia di visualizzazione dell'APP per smartphone. Come elemento chiave, il sensore AWS può avvolgere in modo adattivo lo stelo del pomodoro. È importante sottolineare che, con il grafene indotto dal laser con motivo a serpentina, il sensore AWS mostra un'eccellente resistenza alle interferenze della temperatura con un coefficiente di resistenza alla temperatura di 0,17/°C. L'IPWS ha dimostrato di essere stabile e di monitorare ad alta fedeltà il polso della pianta, che può riflettere la crescita e lo stato dell'acqua della pianta di pomodoro in tempo reale.

La comunicazione con le piante silenziose per ottenere informazioni sulla loro crescita è importante per lo studio dei meccanismi e per migliorare i raccolti1,2,3,4,5. Gli studi hanno dimostrato che il processo di crescita delle piante è simile alla contrazione e all'espansione del polso umano, che si incarna nella contrazione e nell'espansione dello stelo durante il giorno e la notte6,7,8. E ripetere l’espansione porta alla crescita delle piante. In realtà, il polso delle piante è legato all'assorbimento e alla traspirazione dell'acqua da parte delle piante8,9,10. Durante il giorno, quando la maggior parte degli stomi sulle foglie sono aperti e la traspirazione dell'acqua dalle foglie è maggiore dell'assorbimento dell'acqua da parte delle radici, il diametro dello stelo cambia o si restringe appena. Di notte, quando gli stomi sulle foglie sono chiusi, la pianta assorbe più acqua dalle radici di quella che evapora dalle foglie e lo stelo si espande. Quando l'acqua scarseggia, il fusto si restringe ovviamente. Pertanto, il monitoraggio del polso delle piante può comprendere la relazione tra la crescita delle piante e l'approvvigionamento idrico.

Attualmente, i sensori applicati per il monitoraggio degli impulsi dell'impianto sono principalmente sensori rigidi a trasduttore lineare variabile (LVDT)11. I sensori LVDT ingombranti e pesanti sono difficili da fissare e hanno una forza di pre-serraggio sulle piante8, che non è adatta per il monitoraggio delle piantine poiché la crescita della semina delle piante è fondamentale per l'allegagione e la resa dei frutti. Recentemente, è emerso che i sensori di deformazione flessibili che possono essere indossati sulle piante hanno un enorme potenziale per misurare continuamente la crescita delle piante12,13,14. Negli ultimi anni sono stati sviluppati diversi sensori di deformazione planare per il monitoraggio della crescita delle piante2,3,4. Tuttavia, esistono ancora alcune sfide nell'applicazione dei sensori di deformazione planari per il monitoraggio degli impulsi delle piante. In primo luogo, i peli ghiandolari compatti e la cera sul fusto della pianta influenzano la fissazione dei sensori planari indossabili. I sensori fissati alle piante tramite nastro non favoriscono la crescita delle piante e potrebbero cadere durante il monitoraggio a lungo termine. Inoltre, l'ambiente complesso rappresenta una minaccia per la stabilità dei sensori15. In effetti, l'ambiente di crescita delle piante è complesso e mutevole, come i cambiamenti di luce, umidità e temperatura, che potrebbero portare alla perdita di fedeltà dei dati dei sensori16. Infine, il metodo di acquisizione dati cablato presenta gli svantaggi di un cablaggio ingombrante e di costi elevati. Per quanto ne sappiamo, non è stato ancora segnalato alcun sistema di rilevamento indossabile con adattabilità flessibile ed eccellenti prestazioni anti-interferenza per il monitoraggio degli impulsi delle piante. Pertanto, è necessario sviluppare un sistema di rilevamento indossabile per le piante con adattabilità flessibile, prestazioni anti-interferenza e trasmissione dati wireless per monitorare il polso delle piante.

Qui è stato sviluppato un sistema indossabile per piante integrato (IPWS) basato sul sensore di deformazione dell'avvolgimento adattivo (AWS) per il monitoraggio wireless dell'impulso dell'impianto (Fig. 1a). L'IPWS è composto da tre moduli, ovvero un sensore AWS, un circuito stampato flessibile e un'interfaccia di visualizzazione dell'APP per smartphone. L'elemento chiave, il sensore AWS, è stato progettato ispirandosi ai viticci delle piante, che possono avvolgersi in modo adattivo attorno allo stelo del pomodoro senza alcuna pasta o adesivo. Questa struttura a viticcio biomimetica converte una deformazione di stiramento diretta nell'effetto di curvatura ed evita la carenza di deformazione dovuta alla frattura della fessura. Inoltre, il sensore AWS mostra resistenza alle interferenze di temperatura grazie al design a serpentina, realizzando il monitoraggio anti-interferenza a lungo termine per il polso dell'impianto. L'espansione e il restringimento dello stelo possono stimolare il sensore AWS a generare una variazione di resistenza, che può essere registrata dall'IPWS che trasmette i dati di variazione della resistenza allo smartphone in modalità wireless. I risultati mostrano che il sistema IPWS può monitorare accuratamente il polso della pianta per diagnosticare la crescita e lo stato dell’acqua della pianta di pomodoro.