科学家发明“太阳花”设备，植物也戴上了专属“健康手环”！

出品：科普中国

作者：一言科普团队

监制：中国科普博览

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想象一下，如果植物能够“戴上”手环，我们是否就能像监测自己的健康一样，实时掌握它们的生长状况？随着可穿戴设备的发展，这一设想正在逐渐成为现实。

那么，如何为植物设计合适的可穿戴设备？植物的监测信息又是如何被收集和传输的呢？

智能手表监测人体信息

（图片来源：veer图库）

给植物“穿上”可穿戴设备，并非易事

当下，可穿戴设备已经从简单的计步器和心率监测器，发展到了能够监测血糖、血压等复杂生理参数的高级设备。然而，当我们将视野转向植物健康监测时，发现现有的可穿戴设备不论是在穿戴方式、能源供给或者监测技术上均存在一定的局限性。

首先，植物的茎叶承受能力有限。一般植物例如水稻，其茎秆的直径只有几毫米，如果负载过重，很容易造成倒伏，影响作物的生长。

水稻

（图片来源：veer图库）

其次，植物的生长环境多变，对设备的稳定性和耐久性要求更高。如何在保证设备轻巧、不影响植物生长的同时，实现长期稳定的能源供给，是植物可穿戴设备发展的关键挑战。

最后，植物的生理构造与人体大不相同，人体监测血糖和血压的方法在植物体上不能直接使用。因此，即使解决了可穿戴设备的尺寸和供能问题，需要监测哪些生理指标以及如何监测，则需要另行研发。

植物的生长过程中，哪些指标比较重要？

土壤湿度和营养水平直接影响植物的生长环境。监测这些参数可以帮助种植者优化施肥和灌溉计划，保证植物生长所需的最佳土壤条件。

土壤湿度的监测

（图片来源：veer图库）

叶绿素是植物进行光合作用的关键色素，其含量的变化直接与植物的生长和产量有关。监测叶绿素的含量有利于评估植物的营养状况和光合作用效率，及时补充植物所需的营养物质。叶绿素含量的测试方法主要有分光光度法和荧光法。

蒸腾速率是衡量植物水分代谢强弱的重要生理指标，不仅关系到植物体内的水分平衡和矿质盐的运输速度，还与叶温等生理反应密切相关。蒸腾速率的测定有利于探索植物对环境的适应性、评估植物的水分利用效率以及指导农业生产实践。蒸腾速率的测试方法有离体快速称重法和红外气体分析法。

显微镜下的植物维管组织

（图片来源：veer图库）

植物茎流速度，即植物茎内液体流动的速率，一般通过每小时或每日的流量来度量。这一指标对于揭示植物对水分的吸收、转移和分配至关重要，是植物水分需求和生理状况的直接体现。茎流速度的测试方法有热脉冲法、热平衡法、同位素示踪法等。

这么多指标，植物可穿戴设备到底要监测哪一个呢？

热敏电阻，实现植物“血液”的监测

植物的“汁液”与动物的血液类似，源源不断地为植物的生长提供水分和营养物质，具有重要的研究价值。2024年12月4日，中国科学家研制了一种形似“太阳花”的设备，并且成功将其“穿”在植物的茎秆上，实现了植物汁液茎流速度的监测和数据的传输，相关成果发表于《Science Advances》杂志。

形似“太阳花”的植物可穿戴设备

（图片来源：参考文献1）

这种植物可穿戴设备集成了热敏电阻。热敏电阻是一种自身电阻值随温度变化的电子元件，能够根据温度的变化输出响应信号。热敏电阻在通电工作时会产生局部热量，当植物汁液流动时，热量会随着汁液的流动方向从上游传递至下游，下游的温度则会因热量的传递而升高。这款植物可穿戴设备通过记录上下游温度的差异和变化时间，即可得到植物的液流方向和速度。

植物可穿戴设备示意图和内部元件连接示意图

（图片来源：参考文献1）

植物戴上这种设备，会不舒服吗？

“太阳花”结构的设计，不仅不会让植物感到不舒服，还具有较高的能量供给效率。

研究者利用激光切割的方法将硅基太阳能电池板制成太阳花花瓣的形状，并且将其贴在柔性PDMS（聚二甲基硅氧烷）薄膜上。花瓣状的电池板通过柔性的蛇形铜线连接在一起，形成了一个特殊的“太阳花”结构。

该可穿戴设备的质量较轻（约40克），仅有南瓜、葡萄、茄子等许多常见植物果实重量的四分之一到五分之一，在植物茎部的可承受范围内。

植物“佩戴”可穿戴设备30天后的变化对比图

（图片来源：参考文献1）

研究者将该可穿戴设备安装在南瓜茎部，经过30天的“佩戴”，其生长没有出现明显的负面影响，并且叶片的叶绿素活性也没有明显变化。

不仅外观美丽，它还具有可靠的性能

除了美观外，这种“太阳花”结构的设计增强了各组件之间的空气循环，有效地分散了太阳光连续直射产生的热量，太阳能转化效率可以达到19.49%。并且，太阳能电池板在经过500次循环测试后，功率也没有明显下降，具有较高的可靠性。

此外，太阳能电池板的下方还附加了8个微型锂离子电池中（直径4.5毫米，长23毫米），可以将多余的电能储存，以供极端天气条件下使用。

为了实现可穿戴设备电能的自己自足，研究者受萤火虫信号行为的启发，开发了一种耗能小、传输高效的光通信系统。该通信系统以集成在太阳能电池板中的小型LED为信号源，通过对LED发射器的编程，实现植物汁液流动方向和速度的编码。最后，利用无人机等具有拍摄功能的设备对LED的闪烁时间和频率进行捕获，实现植物汁液流动信息的记录。

可穿戴设备的光通信方法示意图

（图片来源：参考文献1）

该植物可穿戴设备利用小型LED作为发射器，设备整体每天的功耗约为1773J。其搭载的太阳能电池板在晴天和多云天气产生的电能完全可以覆盖设备的电能消耗量。即使是遇到极端天气，该可穿戴设备中的微型锂离子电池储存的电能（2664J）也可以维持一定时间的设备运转。

探测器在真实农场中的南瓜植株上的完整操作周期，探测器通过连续14天的田间测试展现出长期运行能力

（图片来源：参考文献1）

结语

科技的发展使可穿戴设备不仅仅局限于人类生命体征的监测，植物也有幸成为一名“消费者”。植物可穿戴设备的问世提高了科学种植的能力，其发展也更有利于我们“菜篮子”的壮大。我们期待更多高端技术在农业的应用，为我们提供更加科学和更加高效的种植方式。

参考文献：

1.Shuang Wang et al. Sunflower-like self-sustainable plant-wearable sensing probe[J]. Science Advances, 2024.

2.Cohabiting Plant-Wearable Sensor In Situ Monitors Water Transport in Plant[J]. Advanced Science, 2021.

3.田清远.基于热平衡方式的植物茎流检测系统研究[D]. 昆明理工大学, 2013.

4.陆元洲,江朝晖,李想,等.植物水分含量检测综述[J]. 中国农学通报, 2015.

5.丁筱玲,赵立新,张业民.植物茎液流速及蒸腾量动态测试仪[J]. 农业工程学报, 2000.