如何让农作物自己“开口说话”，精准反馈缺水、病害等生理状态？在农业生产中，番茄因蒸腾作用导致茎秆收缩、大豆因基因突变改变昼夜节律，这些植物细微的生理变化难以捕捉，使得农业生产实践中的精准调控难以实现。中国计量大学生命科学学院徐沛教授团队联合清华大学、河南大学等机构，成功研发高通量、低成本植物可穿戴传感器系统PlantRing(植物手环)，相关成果于近日登上Cell出版社旗下植物学顶刊《Plant Communications》，并在江苏、浙江等地的农业科研基地投入应用。
严苛的田间环境易导致数据失真，过于复杂的设计又会增加成本和牺牲耐久性，传统农业传感器一直以来面临着这样的难题。PlantRing研究团队则另辟蹊径，将天然蚕丝碳化成应力敏感的纳米材料，制成属于植物的“健康手环”。这种材料能精准捕捉低于10微米级的茎秆周长变化，并以此为依据指导品种选育或者反馈灌溉。据悉，植物的生长会导致PlantRing的电阻随着茎直径同步变化，如植物的茎在晚上吸水会变粗、在白天因蒸腾作用失水则会变细，相较于通过土壤湿度间接监测的反馈方式，PlantRing可以直接测量植物自身生长状态，更快速、精准地破解植物的“无声语言”，从而在减少灌溉用水的同时提升果实甜度，实现“节水+提质”双重效果。
科研成果要落地，成本和易用性是关键。研究团队通过模块化设计，开发了小体积、低成本的高通量数据采集模块，更适用于真实的农业应用场景。该模块重量仅20 g，不会对植物生长造成影响，且在风雨、日晒条件下表现依旧稳定。它在采集信号的同时将数据实时传输至云端，配套开发的智能决策系统将根据实时数据自动生成“浇水建议”“施肥方案”，呈现在云服务器上，并计划通过移动端应用推送至农户，农户通过手机即可查看作物生理报告，包括水分状态、昼夜节律等关键指标。“我们的目标是直接告诉农户什么时候要做什么，实现农业智慧化，让基层操作人员不用依赖经验进行决策。”中国计量大学生命科学学院副教授、论文共同第一作者吕晨泽说道。
传感数据最佳的利用方式便是跟农业应用挂钩，对数据的深度解读不仅能实现精准的反馈灌溉，还在其他方面发挥着重要的作用。如根据植物主茎与侧茎的水分分布判断水分在植物内的流动方向、根据茎秆水分运输产生的特异性波动提前诊断水分养分亏缺等。“我们未来的发展方向就是把获取的数据做出各类算法，自动化得出研究结果，扩大传感器系统的应用场景与涵盖领域。”吕晨泽说。除上述应用外，系统在胁迫响应、林木生长监测等其他方面也有巨大的应用潜力，作为精密科学仪器和智慧农业实用工具，PlantRing的双重功能已在真实生产环境下得到验证，并实现商业化制造，突破了植物穿戴式传感器大规模应用的瓶颈。
PlantRing的突破不仅在于技术创新，更在于“让农民听得懂、用得起”的实用主义导向和农工信学科交叉的前沿思维。2020年，徐沛教授率先提出“农业植物表型计量”这一新研究领域，并带领团队不懈攻关。未来，PlantRing穿戴式传感器示范田将在更多地区落地，推动农业管理向数据驱动转型。暮色中的农田大棚内，传感器指示灯如星点闪烁。这些沉默的“翻译官”，正将农作物的每一次“呼吸”转化为数据洪流，书写中国智慧农业的新篇章。
通讯员 刘虹雨
