Un système intégré et robuste de surveillance du pouls des plantes basé sur un capteur portable biomimétique

Oct 23, 2023

npj Flexible Electronics volume 6, Numéro d'article : 43 (2022) Citer cet article

3317 Accès

9 Citations

Détails des métriques

Les capteurs portables des plantes ont le potentiel de fournir des mesures continues des informations physiologiques des plantes. Cependant, la surveillance stable et haute fidélité des plantes avec des poils glandulaires et de la cire est difficile, en raison du manque d'adaptabilité de l'interface des capteurs portables conventionnels des plantes. Ici, inspiré par les vrilles végétales à enroulement adaptatif, un système portable intégré de plante (IPWS) basé sur un capteur de contrainte d'enroulement adaptatif (AWS) pour la surveillance du pouls des plantes a été développé. L'IPWS se compose de trois modules, à savoir un capteur AWS, un circuit imprimé flexible et une interface d'affichage APP pour smartphone. En tant qu'élément clé, le capteur AWS peut s'enrouler de manière adaptative autour de la tige de la tomate. Il est important de noter qu'avec le graphène induit par laser à motif serpentin, le capteur AWS présente une excellente résistance aux interférences de température avec un coefficient de résistance à la température de 0,17/°C. Il a été démontré que l'IPWS est stable et haute fidélité en surveillant le pouls de la plante, ce qui peut refléter la croissance et l'état de l'eau de la plante de tomate en temps réel.

La communication avec les plantes silencieuses pour obtenir leurs informations de croissance est importante pour l'étude des mécanismes et l'amélioration des rendements des cultures1,2,3,4,5. Des études ont montré que le processus de croissance des plantes est similaire à la contraction et à l'expansion du pouls humain, qui s'incarne dans la contraction et l'expansion de la tige pendant le jour et la nuit6,7,8. Et l'expansion répétée conduit à la croissance des plantes. En fait, le pouls des plantes est lié à l'absorption et à la transpiration de l'eau par les plantes8,9,10. Pendant la journée, lorsque la plupart des stomates des feuilles sont ouverts et que la transpiration de l'eau des feuilles est supérieure à l'absorption d'eau par les racines, le diamètre de la tige change à peine ou rétrécit. La nuit, lorsque les stomates des feuilles sont fermés, la plante absorbe plus d'eau des racines que l'évaporation de l'eau des feuilles, et la tige se dilate. Lorsque l'eau se fait rare, la tige rétrécit évidemment. Par conséquent, la surveillance du pouls des plantes peut comprendre la relation entre la croissance des plantes et l'approvisionnement en eau.

Actuellement, les capteurs utilisés pour la surveillance des impulsions de l'usine sont principalement des capteurs à transducteur linéaire variable rigide (LVDT)11. Les capteurs LVDT encombrants et lourds sont difficiles à fixer et ont une force de pré-serrage sur les plantes8, ce qui n'est pas adapté au suivi des semis de plantes puisque la croissance des semis de plantes est fondamentale pour la nouaison et le rendement. Récemment, des capteurs de contrainte flexibles pouvant être portés sur les plantes ont montré l'énorme potentiel de mesurer en continu la croissance des plantes12,13,14. Ces dernières années, plusieurs capteurs de déformation planaires pour le suivi de la croissance des plantes ont été développés2,3,4. Cependant, il existe encore des défis dans l'application des capteurs de contrainte planaires pour la surveillance des impulsions de l'usine. Premièrement, les poils glandulaires compacts et la cire sur la tige de la plante affectent la fixation des capteurs planaires portables. Les capteurs liés aux plantes par du ruban adhésif ne favorisent pas la croissance des plantes et peuvent tomber pendant la surveillance à long terme. De plus, un environnement complexe constitue une menace pour la stabilité des capteurs15. En effet, l'environnement de croissance des plantes est complexe et changeant, comme les changements de lumière, d'humidité et de température, ce qui peut entraîner la perte de fidélité des données des capteurs16. Enfin, la méthode filaire d'acquisition de données présente les inconvénients d'un câblage encombrant et d'un coût élevé. À notre connaissance, aucun système de détection portable avec une adaptabilité flexible et d'excellentes performances anti-interférences n'a encore été signalé pour la surveillance du pouls des plantes. Par conséquent, il est nécessaire de développer un système de détection portable pour plantes avec une adaptabilité flexible, des performances anti-interférences et une transmission de données sans fil pour surveiller le pouls de la plante.

Ici, un système portable intégré de plante (IPWS) basé sur un capteur de contrainte d'enroulement adaptatif (AWS) pour la surveillance sans fil du pouls de la plante a été développé (Fig. 1a). L'IPWS se compose de trois modules, à savoir un capteur AWS, un circuit imprimé flexible et une interface d'affichage APP pour smartphone. L'élément clé, le capteur AWS a été conçu en s'inspirant des vrilles des plantes, qui peuvent s'enrouler de manière adaptative autour de la tige de la tomate sans aucune pâte ni adhésif. Cette structure de vrille biomimétique convertit une contrainte d'étirement directe en effet de courbure et évite le déficit de contrainte dû à la fracture de la fissure. De plus, le capteur AWS présente une résistance aux interférences de température grâce à la conception à motif serpentin, ce qui rend la surveillance à long terme et anti-interférence pour le pouls des plantes devenue réalité. L'expansion et le rétrécissement de la tige peuvent stimuler le capteur AWS pour générer une variation de résistance, qui peut être enregistrée par l'IPWS qui transmet sans fil les données de variation de résistance au téléphone intelligent. Les résultats montrent que le système IPWS peut surveiller avec précision le pouls de la plante pour diagnostiquer la croissance et l'état de l'eau de la plante de tomate.

a Les images optiques de la vrille végétale et de l'IPWS sur les plants de tomates. b Schéma de principe du capteur AWS intégré au circuit imprimé souple. c Schéma de principe de fabrication du capteur AWS. d L'image optique du circuit imprimé plié et l'illustration schématique de la conception du système pour la transduction, le traitement et la transmission sans fil du signal du capteur AWS à l'interface utilisateur.

Comme le montre la Fig. 1 supplémentaire, il y a des poils glandulaires compacts et de l'huile essentielle à la surface de la tige de tomate, ce qui n'est pas propice à la fixation de capteurs portables flexibles. Les vrilles des plantes peuvent s'enrouler autour des tiges des plantes hôtes, et la courbure de la ligne en spirale varie automatiquement avec l'expansion et le rétrécissement de la tige des plantes, sans affecter la croissance normale des plantes hôtes17,18. Des études sur les vrilles végétales prouvent que la couche la plus proche de la surface concave des vrilles est plus lignifiée que celle de l'autre côté, ce qui entraînera une inadéquation des contraintes à l'interface des fibres et fera recourber les vrilles18,19,20. Selon ce mécanisme, le capteur portable de plante avec une structure de vrille biomimétique a été conçu, qui peut s'enrouler de manière adaptative autour de la tige de tomate sans aucun dispositif de fixation ni ruban adhésif (Fig. 1a). Comme le montre la figure 1b, l'AWS est une structure en sandwich, avec une paroi poreuse en graphène induit par laser (LIG) 3D prise en sandwich entre des couches Ecoflex transparentes. La couche LIG en sandwich peut convertir la réponse de contrainte en signal de résistance, qui peut être capturé, converti et transmis par le module de circuit imprimé flexible. Le processus de préparation du capteur AWS est illustré à la Fig. 1c. Il existe deux stratégies importantes. Premièrement, c'est le transfert de LIG à motifs du polydiméthylsiloxane (PDMS) vers Ecoflex. Nous avons préparé la paroi LIG poreuse 3D sur les substrats de polyéthylène téréphtalate (PET), de verre, de polystyrène et de PDMS, respectivement. Puis Ecoflex a été appliqué pour transférer le LIG. Comme le montre la Fig. 2 supplémentaire, les résultats ont montré que la LIG sur les trois premiers substrats ne pouvait pas être complètement transférée, et seule la LIG sur le substrat PDMS pouvait être complètement transférée. Cela est dû à la faible énergie de surface du PDMS (≈30 mN m‒1)21,22,23, qui fournit un substrat non adhésif pour le décapage de LIG24. Cette stratégie peut transférer des modèles LIG précis à grande échelle (Fig. 3 supplémentaire). Deuxièmement, le LIG à motifs transféré est retourné et attaché à la surface d'un autre film Ecoflex pré-étiré. Après avoir relâché le film pré-étiré, la contrainte non adaptée entre les interfaces supérieure et inférieure fait que le film polymère composite s'enroule automatiquement en une structure en vrille avec une courbure spécifique. La courbure de la structure en spirale peut être ajustée en ajustant les prétrains, ce qui serait discuté dans la caractérisation des propriétés électromécaniques.

La communication de données sans fil joue un rôle essentiel dans les systèmes de détection portables25,26,27. Les systèmes de capteurs sans fil portables pour le corps humain sont souvent intégrés à la communication Bluetooth28,29,30. Cependant, l'utilisation de la transmission sans fil Bluetooth est impossible pour réaliser une surveillance à distance et à grande échelle des plantes sur le terrain. Par conséquent, un circuit imprimé flexible avec fonction de transmission de données sans fil WIFI a été conçu et fabriqué pour réaliser la communication sans fil entre le capteur AWS et un téléphone intelligent. Le principe détaillé et le processus de fabrication sont décrits dans la section des méthodes et illustrés à la Fig. 1d et à la Fig. 4 supplémentaire. Comme le montre la Fig. 4 supplémentaire, les utilisateurs peuvent afficher les données de surveillance de plusieurs tomates et exporter des données via l'interface du téléphone mobile.

Nous avons préparé le LIG poreux 3D sur le film de résine phénolique (PR) et avons transféré le LIG sur le film Ecoflex (Figs. 2 et 3). Le microscope électronique à balayage (SEM) a été utilisé pour caractériser les morphologies du LIG et du LIG transféré. La microstructure du LIG est principalement déterminée par la puissance du laser et la vitesse de balayage (Fig. 2)31,32. La faible puissance laser et la vitesse de balayage rapide ne fourniraient pas une énergie suffisante pour la formation de graphène (Fig. 2a). Si la puissance laser est trop élevée, la structure de graphène poreux 3D serait trop brûlée, entraînant un effondrement de la structure de la couche et une augmentation de la résistance (Fig. 2e). La figure 2b montre que la structure de paroi de graphène poreux 3D peut être formée sous une puissance laser de 2,5 W et une vitesse de balayage de 27 cm s‒1, et ces structures poreuses sont formées par la libération de gaz dans le processus de transformation laser. La structure poreuse 3D uniforme facilite la pénétration de l'Ecoflex, et ainsi il peut être entièrement transféré de la surface du substrat PDMS. Après le processus de transfert, la structure de feuille LIG multicouche interconnectée est réservée et le caoutchouc de silicone occupe inévitablement beaucoup d'espace poreux (Fig. 3f, g). Après application de la déformation à 5 % (Fig. 3h), on constate que de nombreuses microfissures constituées de lacunes, d'îlots et de ponts reliant des îlots séparés apparaissent en surface33. Ces microfissures provoquent une fracture partielle du réseau conducteur d'origine, ce qui entraîne une augmentation de la résistance électrique et de la réponse à la contrainte34,35.

a–c Images SEM de LIG préparées par différentes vitesses de balayage laser (80, 27 et 16 cm s‒1) avec une puissance laser de 2,5 W. d, e Images SEM de LIG préparées avec différentes puissances laser (2,2 et 2,8 W ) avec une vitesse de balayage laser de 27 cm s‒1. f Image SEM de la LIG préparée et la cartographie élémentaire correspondante des éléments C, O et Si. Barres d'échelle : 10 μm.

a Le schéma de LIG avant d'être transféré. b L'image SEM de LIG. c Le spectre Raman de LIG. d L'analyse XRD de LIG. e Le schéma du LIG transféré. f, g Les images SEM de LIG transférées. h Les morphologies SEM de LIG transférées sous 5% de souche. Barres d'échelle : b = 5 μm, f = 20 μm, g, h = 200 μm.

Le spectre Raman est une technique de caractérisation en or pour les matériaux carbonés, qui est extrêmement sensible à la structure géométrique et à la liaison au sein des molécules36,37. Comme le montre la figure 3c, LIG ​​présente trois pics Raman typiques de graphène, y compris la bande D à 1335 cm‒1, la bande G à 1582 cm‒1 et la bande 2D à 2659 cm‒1, tandis que la bande D correspond à la structure défauts dans le graphène, et la bande G est liée au motif E2g du carbone graphite36,38,39. Le faible rapport ID/IG de 0,52 révèle la structure hautement cristalline du graphène40,41,42. La bande 2D évidente révèle la formation de structures de graphène multicouches 3D43. Les diagrammes de diffraction des rayons X (XRD) du LIG et du PR sont illustrés à la Fig. 3d. Le pic caractéristique du PR est à 19,1°, alors qu'il n'y a pratiquement pas de pic caractéristique du PR dans le spectre Raman du LIG. Il existe des pics typiques de phases cristallines graphitiques (002) et (100) à 26,1° et 43,4°, respectivement32,44. Ces résultats confirment davantage la formation de la structure du graphène.

Les propriétés électromécaniques du capteur AWS (Fig. 4a – c) ont été étudiées via des tests de traction mécanique. Semblable à la déformation des vrilles végétales, le processus de déformation du capteur AWS consiste en une déformation élastique et une déformation plastique45. La déformation élastique se produit d'abord pendant le processus de déformation, suivie de la déformation plastique. La structure du LIG s'est déchirée et s'est finalement rompue lors de la déformation plastique. Comme le montre la figure 4b, l'effet de différentes précontraintes (0 %, 30 %, 50 %, 100 % et 200 %) sur les plages de détection de contrainte efficaces du capteur AWS a été étudié. Par rapport à la plage de détection de contrainte du capteur planaire (0 % de précontrainte), les capteurs ASW (30 % à 200 % de précontrainte) présentent des plages de détection de contrainte efficaces plus élevées. Pour que la précontrainte augmente de 30 % à 200 %, la plage de détection de contrainte diminue de 240 % à 66 %. En effet, la précontrainte plus importante entraîne davantage d'hélices avec une courbure plus petite, ce qui entraîne une diminution de la plage de déformation élastique et une apparition plus précoce de la déformation plastique (Fig. 5a supplémentaire). Par conséquent, les propriétés mécaniques de la structure en spirale peuvent être ajustées par précontrainte. Le mécanisme spécifique peut être expliqué par l'expression de la courbure de la vrille19 :

Où ε est la précontrainte, et t1 et t2 sont l'épaisseur du film Ecoflex supérieur et inférieur, respectivement. Et m = t1/t2, et n = E1/E2 (E1 et E2 sont les modules de Young des films Ecoflex supérieur et inférieur, respectivement). Dans cette étude, les t1, t2, E1, E2, m et n sont constants. Par conséquent, la courbure initiale de la vrille est principalement déterminée par la précontrainte. Les effets de la précontrainte sur le module d'élasticité (E) de la structure hélicoïdale ont été évalués (Fig. 4c). La pente de la partie linéaire approximative de la courbe déformation-contrainte est le module d'élasticité de la vrille obtenu45. Les résultats montrent que dans la plage de précontrainte de 30 % à 200 %, le module d'élasticité augmente à mesure que la précontrainte augmente. Le module d'élasticité correspondant à 30 %, 50 % et 100 % de la précontrainte est de 0,006, 0,02 et 0,078 MPa, ce qui est bien inférieur à la turgescence des cellules végétales (0,2-1,0 MPa)46. Par conséquent, la prétension générée par le capteur AWS enroulé autour de la tige des plantes n'affectera pas la croissance normale des plantes. La figure supplémentaire 5b montre la réponse réversible du capteur AWS (préparé sous une précontrainte de 100 % et sa contrainte effective est d'environ 150 %) sous diverses contraintes de 1 % à 100 %. Pour différentes contraintes, le capteur affiche des réponses réversibles et accrues avec l'augmentation de la contrainte (le pic d'impureté de 1 % et 5 % peut être causé par la vibration de l'arrêt soudain de l'appareil). De plus, les réponses répétées du capteur ont été enregistrées avec des contraintes de 60 % pendant 8 000 s (Fig. 5c supplémentaire), et le capteur reste stable et présente une excellente durabilité. Une dérive vers le bas de la valeur maximale du taux de variation de la résistance (ΔR/R0) a été observée au cours des premiers cycles. Cela pourrait être dû à la construction de nouveaux réseaux conducteurs et à la formation ultérieure d'un état d'équilibre des réseaux conducteurs pendant le chargement et le déchargement cycliques47.

a Les images optiques du montage expérimental. b La variation de résistance relative des capteurs AWS avec différentes précontraintes par rapport à la contrainte de traction. c Le module d'élasticité (E) d'une structure hélicoïdale avec différentes précontraintes. d Illustration schématique d'une simulation statique à l'aide de tiges de verre. e Les réponses du capteur à des tiges de verre de différents diamètres (2, 3, 5, 7 et 10 mm). f Illustration schématique de la simulation dynamique à l'aide d'une seringue d'injection. g Les réponses du capteur avec simulation dynamique. h L'illustration schématique du mécanisme de détection.

Dans cette étude, le mécanisme de détection du capteur AWS a été étudié en utilisant des méthodes de simulation statique (Fig. 4d, e) et de simulation dynamique (Fig. 4f, g). Le mécanisme relatif est illustré à la Fig. 4h. Les réponses du capteur à des tiges de verre de différents diamètres (2, 3, 5, 7 et 10 mm) ont été étudiées dans la simulation statique (Fig. 4d). Comme le montre la figure 4e, le taux de variation de résistance augmente avec l'augmentation du diamètre de la tige de verre, et il existe une bonne relation linéaire entre le taux de variation de résistance du capteur et le diamètre de la tige de verre (R2 = 0,9934). Il est probable que la diminution du diamètre de la tige de verre entraîne une augmentation de la courbure du capteur et que la structure de graphène poreux 3D est plus comprimée (Fig. 4h). Dans la simulation dynamique, une seringue de 5 ml enveloppée d'un capteur AWS a été fixée sur une pompe d'injection automatique d'échantillon. La pompe à injection pousse lentement le piston de la seringue. Lorsque le piston est passé, une petite expansion d'environ 100 µm s'est produite (Fig. 4f). En conséquence, l'expansion entraîne une diminution de la courbure et des parties de la structure de graphène poreux 3D comprimée sont libérées, ce qui augmente la résistance électrique (Fig. 4h). Les réponses du capteur de graphène à motif droit et du capteur à motif serpentin sont comparées (Fig. 4g), et on constate que le capteur à motif serpentin est moins sensible que celui à motif droit, ce qui est dû au fait que le la structure serpentine peut absorber la contrainte causée par la déformation mécanique48.

La croissance des plantes nécessite des conditions environnementales spécifiques, telles qu'une lumière adéquate, une humidité appropriée et des différences de température. Par conséquent, contrairement à d'autres capteurs portables pour les animaux et les êtres humains, l'impact des facteurs environnementaux sur les performances des capteurs portables des plantes doit être pris en compte. Dans cette étude, l'influence de la température, de l'humidité et de la lumière sur les performances du capteur a été étudiée. Le capteur AWS s'est enroulé autour d'une tige de verre et a été testé dans une boîte climatique artificielle.

Lorsque la température augmente, la dilatation thermique du film Ecoflex entraîne la formation de microfissures dans le réseau conducteur, ce qui allonge les canaux conducteurs et augmente la résistance électrique (Fig. 5a). Afin d'améliorer la résistance à la température du capteur, le motif LIG est conçu pour être en serpentin pour le capteur AWS, car la structure en serpentin peut absorber la contrainte causée par la dilatation thermique du film Ecoflex48,49. Comme le montre la figure 5b, par rapport au capteur AWS à motif droit, le capteur AWS à motif serpentin présente une stabilité thermique plus élevée. En règle générale, les cultures de serre, telles que les tomates, poussent à des températures de 15 à 30 °C. Dans la plage de 15 à 30 °C, le coefficient de température de résistance (TCR) est appliqué pour estimer la résistance du capteur à la température. Le TCR peut être obtenu par la formule :

Où R(T) et R(T0) sont la résistance à 30 °C et 15 °C, respectivement. Les résultats montrent que le TCR du capteur AWS à motif serpentin est de 0,17/°C, ce qui est bien inférieur à celui du capteur AWS à motif droit (1,15/°C). Par conséquent, la conception à motif serpentin peut être utilisée pour réduire les interférences de température avec le capteur AWS. Comme le montre la Fig. 5c, d, dans la plage d'humidité de 55 à 65 % et la plage d'éclairage de 0 à 8 klx, les réponses de résistance de deux capteurs à motifs ne sont pas perturbées. Tous ces éléments démontrent que le capteur AWS avec LIG à motif serpentin possède une excellente capacité anti-interférence, ce qui est important pour le capteur portable des plantes pour surveiller le comportement des plantes dans des conditions de terrain complexes.

un schéma de dilatation thermique du capteur AWS. b La réponse du capteur AWS à motif droit et du capteur AWS à motif serpentin à différentes températures. c La réponse du capteur AWS à motif droit et du capteur AWS à motif serpentin à différentes humidités (55 %, 60 % et 65 %). d La réponse du capteur AWS à motif droit et du capteur AWS à motif serpentin à différentes intensités d'éclairage (0 à 8 klx).

Comme le montre la figure 6a, le capteur AWS peut s'enrouler de manière adaptative autour de la tige de tomate sans pâte ni adhésif. Lorsque le taux de transpiration de la plante est supérieur au taux d'absorption d'eau de la racine, la tige rétrécit. Au lieu de cela, la tige se dilate. Par conséquent, le pouls de la tomate peut être utilisé pour refléter l'état de l'eau. En incorporant le capteur AWS dans l'IPWS, le signal de réponse peut être transmis sans fil au téléphone intelligent. Une série de plants de tomates d'une hauteur de 25 cm ont été utilisés pour le suivi in ​​vivo. Comme le montre la figure 6b, l'IPWS a été utilisé pour surveiller les variations du diamètre de la tige (SDV) de l'ensemencement de tomates à 15 cm au-dessus du sol. Un capteur LVDT commercial comme capteur de référence a été utilisé pour vérifier la praticabilité et la précision de l'IPWS. Le capteur LVDT a été fixé sur la tige de semis de tomate (à 10 cm au-dessus du sol) avec un élastique, et maintenu stable avec un autre support, ce qui est assez difficile pour les plants de tomate. De plus, le capteur LVDT ne peut pas être fixé sur la tige tordue et ténue. En revanche, l'IPWS peut être installé simplement sur n'importe quelle tige de tomate sans élastique ni ruban adhésif (Fig. 6b).

a Schémas de l'IPWS pour la surveillance des impulsions de l'usine avec smartphone pour la lecture continue des données. b Les images optiques du capteur AWS et du capteur LVDT commercial sur la tige de tomate. c 11 jours de courbes de suivi obtenues à partir de l'IPWS et du capteur de référence. d Les courbes de suivi au 2ème jour. e Les données sur l'humidité du sol et les données de surveillance des tiges. f Le taux d'expansion de la tige mesuré par l'IPWS et le capteur de référence. g La linéarité entre la SDV mesurée par le capteur de référence et le taux de variation de résistance mesuré par IPWS.

La tige de tomate a été surveillée pendant 11 jours par IPWS et un capteur de référence dans une boîte climatique artificielle. La figure 6c montre la courbe de surveillance en temps réel de SDV dans les 11 jours, les données étant enregistrées toutes les 10 secondes. Le SDV global montre une régularité d'impulsion avec une tendance à la hausse, et l'IPWS est cohérent avec la tendance de réponse du capteur de référence. En prenant les données de surveillance du 2ème jour comme exemple (Fig. 6d), l'expansion et le rétrécissement jour-nuit de la tige de tomate ont été étudiés. Nous avons remarqué que le temps de croissance de la tomate est principalement la nuit. Pendant la journée, le taux de variation de la SDV et de la résistance a tendance à être stable. Cela est dû au fait que le taux de transpiration des plantes est presque égal au taux d'absorption d'eau des racines. Le taux de variation de la SDV et de la résistance augmente, ce qui est dû au fait que le taux de transpiration nocturne de la tomate est inférieur au taux d'absorption d'eau des racines.

Pendant ce temps, le capteur d'humidité du sol a été utilisé pour enregistrer le changement de la teneur en humidité relative du sol (RSWC) pendant la surveillance (Fig. 6e). L'humidité initiale du sol était de 50 % et a chuté à 8 % le 8e jour. Après arrosage, l'humidité du sol a été récupérée. En combinaison avec l'humidité du sol, les réponses moyennes quotidiennes des deux capteurs sont comparées et les tendances cohérentes sont présentées. On constate que le taux de croissance du SDV ralentit lorsque l'humidité du sol est inférieure à 30 %. Les stomates fermés sous les 24% d'humidité du sol démontrent également l'apparition d'un stress hydrique (Fig. 6a, b supplémentaires). Une fois l'humidité du sol récupérée, le taux de croissance du SDV augmente et les stomates s'ouvrent (Fig. 6c, d supplémentaires).

Comme le montre la figure 6f, le taux de croissance minimum de SDV obtenu à partir de l'IPWS et du capteur de référence est apparu le 8ème jour et le 9ème jour, respectivement. La différence de taux de croissance minimum obtenu à partir de l'IPWS et du capteur de référence peut être causée par les différents emplacements des capteurs. Après avoir augmenté l'humidité du sol les 10e et 11e jours, le taux de croissance a augmenté. De plus, un ajustement linéaire a été effectué entre le SDV mesuré par le capteur de référence et le taux de variation de résistance mesuré par IPWS (Fig. 6g). On constate qu'il existe une bonne relation linéaire entre le taux de variation de la résistance et la SDV de la tige de tomate (R2 = 0,9196). Par conséquent, l'IPWS peut révéler l'expansion et le rétrécissement de la tige de tomate pour refléter l'état de l'eau de la tomate.

En résumé, un IPWS basé sur un capteur AWS pour la surveillance du pouls des plantes a été développé. Le capteur AWS peut s'enrouler de manière adaptative sur la tige sans affecter l'expansion et le rétrécissement normaux de la tige en raison de la structure de vrille biomimétique. Il est important de noter que le capteur AWS avec LIG à motif serpentin présentait une résistance accrue à la contrainte de dilatation thermique induite par la température ambiante par rapport à celui utilisant un LIG à motif droit. Les résultats démontrent que l'IPWS peut surveiller l'expansion et le rétrécissement de la tige de la plante sans fil et refléter la croissance et l'état de l'eau de la tomate en temps réel. Ce travail est important pour la surveillance continue du pouls des plantes et fournit également une référence pour le développement d'un capteur portable robuste pour les plantes. À l'avenir, le capteur devrait être intégré au cloud computing et renvoyer les informations de surveillance à l'équipement d'irrigation de précision pour guider efficacement l'irrigation agricole.

Le chlorure de fer (III) (FeCl3) a été acheté chez Aladdin (Chine). Le PR a été acheté auprès de Shuangfu Plastic Raw Material Co., Ltd (Dongguan, Chine). L'Ecoflex (Smooth on, 0050) a été acheté auprès de Dongzhixuan Co., Ltd (Shanghai, Chine). Le PDMS (Dow Corning) a été acheté auprès de Zadok Trading Co., Ltd (Shanghai, Chine).

Les images SEM ont été obtenues à partir d'un microscope électronique à balayage à émission de champ (Hitachi SU8010, Japon). L'analyse XRD a été mesurée par un diffractomètre avancé D8 (Bruker, Allemagne). La caractérisation des spectres Raman a été réalisée à l'aide d'un système de microscope Raman (LabRAM HR Evolution, Horiba Jobin Yvon). Un système de micro-usinage par gravure laser contrôlé par ordinateur (Nano Pro-III, Tianjin Jiayin Nanotechnology Co., Ltd., Chine) a été appliqué pour effectuer le processus d'induction laser. La boîte climatique artificielle (PRX-1000D) a été achetée auprès de Ningbo Safe Experimental Apparatus Co., Ltd, Chine.

La solution de précurseur de PR composée de PR et de FeCl3 a été préparée comme dans les rapports précédents50. 5 g de poudre de PR ont été dissous dans 10 ml d'éthanol, suivis de l'ajout de 20 mg de FeCl3 et d'une dissolution par ultrasons. La solution de précurseur doit être préparée en cas de besoin en raison de la forte hygroscopicité du FeCl3. Le film PR a été préparé sur un substrat PDMS. La solution précurseur a été recouverte sur l'ensemble du substrat PDMS, et le film PR homogène peut être obtenu suivi d'un processus de spin-coating à une vitesse de 900 tr/min min‒1 pendant 40 s. Le film PR obtenu a été séché à température ambiante pour la procédure d'induction laser suivante.

La fabrication du capteur AWS contient trois procédures. Tout d'abord, la fabrication de LIG. La puissance laser (2,2, 2,5 et 2,8 W) et la vitesse de balayage laser (16, 27 et 80 cm s‒1) ont été utilisées pour préparer LIG avec différentes morphologies. Le film PR redondant a été rincé avec de l'éthanol et de l'eau à plusieurs reprises pour obtenir le LIG à motifs. Deuxièmement, transférer le LIG à motifs sur le film Ecoflex. Le silicone précurseur liquide Ecoflex a été préparé en mélangeant les composants A et B dans un rapport de 1:1. Le silicone a été injecté sur la surface du LIG à motifs avec 30 s d'équilibre. Une procédure de revêtement par centrifugation a été appliquée à une vitesse de 600 rpm min‒1 pendant 60 s pour former le film Ecoflex homogène. Après durcissement pendant 1 h à température ambiante, le film Ecoflex durci a été soigneusement pelé pour obtenir la structure Ecoflex/LIG. Les fils de cuivre ont été collés aux deux extrémités de la LIG à motifs avec une pâte d'argent conductrice pour former une électrode Ecoflex/LIG. Enfin, la fabrication du capteur AWS. L'électrode Ecoflex/LIG a été retournée et collée sur le film Ecoflex pré-étiré avec une précontrainte de 0 %, 30 %, 50 %, 100 % et 200 %. Le dos de l'électrode a été encapsulé par enduction par centrifugation de silicone précurseur liquide Ecoflex et durcissement à température ambiante pour former une structure en sandwich. Un capteur AWS peut être obtenu en libérant le film pré-étiré.

Un circuit sur un FPCB a été conçu et fabriqué pour réaliser la communication sans fil entre le capteur AWS et un téléphone intelligent. Le système se composait d'un capteur AWS, d'un convertisseur numérique analogique (ADC) LDC2214, d'une unité centrale de traitement (CPU) ESP32 avec module WIFI et d'une source d'alimentation. Le capteur était directement connecté à un ADC pour transmettre les données de résistance. Les données de détection ont ensuite été traitées via le contrôleur ESP32 et finalement transmises à un smartphone par le module WIFI inséré. Ce système peut être alimenté par une interface USB ou une batterie lithium-ion rechargeable (tension nominale de 3,6 V).

Les données à l'appui des conclusions de cette étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Li, Z. et al. Surveillance en temps réel des stress des plantes via le profilage chimi-résistif des volatils des feuilles par un capteur portable. Matière 4, 2553-2570 (2021).

Article CAS Google Scholar

Nassar, JM et al. Dispositifs portables conformes aux plantes pour la surveillance localisée du microclimat et de la croissance des plantes. npj Flex. Électron. 2, 1–12 (2018).

Article CAS Google Scholar

Tang, W. et al. Fabrication rapide d'un capteur de contrainte portable à base de nanotubes de carbone/graphite pour la surveillance en temps réel de la croissance des plantes. Carbone 147, 295–302 (2019).

Article CAS Google Scholar

Tang, W., Yan, T., Ping, J., Wu, J. & Ying, Y. Fabrication rapide d'un capteur de contrainte flexible et extensible par une encre à base d'eau à base de chitosane pour la surveillance de la croissance des plantes. Adv. Mater. Technol. 2, 1700021 (2017).

Article CAS Google Scholar

Chai, YF et al. Un capteur portable cohabitant in situ surveille le transport de l'eau dans l'usine. Adv. Sci. 8, 2003642 (2021).

Article CAS Google Scholar

Abdelfatah, A., Aranda, X., Save, R., de Herralde, F. & Biel, C. Évaluation de la réponse du retrait journalier maximal chez les jeunes cerisiers soumis à des cycles de stress hydrique en serre. Agric. Gestion de l'eau 118, 150-158 (2013).

Article Google Scholar

Wang, XS et al. Détermination d'un indicateur approprié de la teneur en eau de la tomate en fonction de la variation du diamètre de la tige. Sci. Hortique. 215, 142-148 (2017).

Article Google Scholar

Gallardo, M., Thompson, RB, Valdez, LC & Fernandez, MD Réponse des variations de diamètre de la tige au stress hydrique dans les cultures de légumes en serre. J. Hortic. Sci. Biotechnol. 81, 483–495 (2006).

Article Google Scholar

Gallardo, M., Thompson, RB, Valdez, LC & Fernandez, MD Utilisation des variations du diamètre de la tige pour détecter le stress hydrique de la plante chez la tomate. Irrig. Sci. 24, 241-255 (2006).

Article Google Scholar

Fernández, JE & Cuevas, MV Planification de l'irrigation à partir des variations de diamètre des tiges : une revue. Agr. Pour. Météorol. 150, 135-151 (2010).

Article Google Scholar

Moreno, F., Conejero, W., Martín-Palomo, MJ, Girón, IF et Torrecillas, A. Valeurs de référence maximales quotidiennes de retrait du tronc pour la programmation de l'irrigation chez les oliviers. Agric. Gestion de l'eau 84, 290–294 (2006).

Article Google Scholar

Sengupta, D., Romano, J. & Kottapalli, AGP Electrospun a regroupé des nanofibres de carbone pour des applications de détection tactile, de proprioception et de suivi des gestes inspirées de la peau. npj Flex. Électron. 5, 1–14 (2021).

Article CAS Google Scholar

Han, S. et al. Capteurs de contrainte hybrides nanofils-microfluidiques multi-échelles à haute sensibilité et extensibilité. npj Flex. Électron. 2, 1–10 (2018).

Article CAS Google Scholar

Guo, XG et al. Assemblage mécanique contrôlé de mésostructures 3D complexes et de capteurs de contraintes par flambage en traction. npj Flex. Électron. 2, 1–7 (2018).

Article Google Scholar

Chu, Z. et al. Un nouveau capteur de déformation à gradient de rides avec des interférences anti-eau et des performances de détection élevées. Chim. Ing. J. 421, 129873 (2021).

Article CAS Google Scholar

Zhao, YC et al. Un système de détection électrochimique autonome portable. Sci. Adv. 6, eaaz0007 (2020).

Article CAS Google Scholar

Wong, SK & Chen, KC Une approche procédurale pour modéliser des plantes grimpantes virtuelles avec des vrilles. Calcul. Graphique. Forum 35, 5–18 (2016).

Article Google Scholar

Wang, W., Li, C., Cho, M. & Ahn, SH Pinces souples inspirées des vrilles : morphing de forme de composites bicouches polymère-papier programmables. ACS Appl. Mater. Interfaces 10, 10419–10427 (2018).

Article CAS Google Scholar

Cheng, Y. et al. Une vrille conductrice biomimétique pour l'électronique, les muscles et les capteurs ultra-extensibles et intégrables. ACS Nano 12, 3898–3907 (2018).

Article CAS Google Scholar

Wang, M., Lin, BP et Yang, H. Un actionneur souple imitant une vrille végétale avec des modes de mouvement de flexion et de torsion chirale photoréglables. Nat. Commun. 7, 13981 (2016).

Article CAS Google Scholar

Fuard, D., Tzvetkova Chevolleau, T., Decossas, S., Tracqui, P. & Schiavone, P. Optimisation des substrats de poly-di-méthyl-siloxane pour étudier l'adhérence et la motilité cellulaires. Microélectron. Ing. 85, 1289-1293 (2008).

Article CAS Google Scholar

Zhang, EN et al. Les implants cérébraux en silicone mécaniquement appariés réduisent la réponse des corps étrangers du cerveau. Adv. Mater. Technol. 6, 2000909 (2021).

Article CAS Google Scholar

Wang, L. et al. Capteurs de contrainte hautement extensibles, anti-corrosifs et portables basés sur le composite de nanofibres élastomères décoré PDM/CNT. Chim. Ing. J. 362, 89-98 (2019).

Article CAS Google Scholar

Greco, F. et al. Nanofilms PEDOT/PSS autoportants conducteurs ultra-minces. Matière molle 7, 10642–10650 (2011).

Article CAS Google Scholar

Park, YG, Lee, S. & Park, JU Progrès récents dans les capteurs sans fil pour l'électronique portable. Capteurs 19, 1–34 (2019).

Article Google Scholar

Lee, Y., Cha, SH, Kim, YW, Choi, D. & Sun, JY Communicateurs ioniques transparents et amovibles basés sur des nanogénérateurs triboélectriques autonettoyables. Nat. Commun. 9, 1804 (2018).

Article CAS Google Scholar

Lorwongtragool, P., Sowade, E., Watthanawisuth, N., Baumann, RR et Kerdcharoen, T. Un nouveau nez électronique portable pour les soins de santé basé sur un réseau de capteurs chimiques imprimés flexibles. Capteurs 14, 19700–19712 (2014).

Article Google Scholar

Lee, Y. et al. Électronique hybride intra-orale sans fil pour la quantification en temps réel de l'apport en sodium pour la gestion de l'hypertension. Proc. Natl Acad. Sci. 115, 5377–5382 (2018).

Article CAS Google Scholar

Alam, AU, Clyne, D., Jin, H., Hu, NX et Deen, MJ Réseau de capteurs électrochimiques entièrement intégrés, simples et peu coûteux pour la surveillance in situ de la qualité de l'eau. ACS Sens. 5, 412–422 (2020).

Article CAS Google Scholar

Yang, Y. et al. Un capteur portable gravé au laser pour une détection sensible de l'acide urique et de la tyrosine dans la sueur. Nat. Biotechnol. 38, 217-224 (2020).

Article CAS Google Scholar

Stanford, MG et al. Nanogénérateurs triboélectriques de graphène induits par laser. ACS Nano. 13, 7166–7174 (2019).

Article CAS Google Scholar

Duy, LX et al. Fibres de graphène induites par laser. Carbone 126, 472–479 (2018).

Article CAS Google Scholar

Wang, S. et al. Capteurs de contrainte portables basés sur les fissures de réseau pour une détection subtile et importante des mouvements humains. J. Mater. Chim. C. 6, 5140–5147 (2018).

Article CAS Google Scholar

Luo, S., Samad, YA, Chan, V. & Liao, K. Graphène cellulaire : Fabrication, propriétés mécaniques et applications de détection de contrainte. Matière 1, 1148-1202 (2019).

Article Google Scholar

Zheng, Q., Lee, J.-H., Shen, X., Chen, X. & Kim, J.-K. Capteurs physiques piézorésistifs portables à base de graphène. Mater. Aujourd'hui 36, 158-179 (2020).

Article CAS Google Scholar

Torrisi, L. et al. Étude Raman des défauts structurels induits par laser des films d'oxyde de graphite. EPJ Web Conf. 167, 04011 (2018).

Article CAS Google Scholar

Ferrante, C. et al. Spectroscopie Raman du graphène sous excitation laser ultrarapide. Nat. Commun. 9, 308 (2018).

Article CAS Google Scholar

Zhang, C., Ping, JF & Ying, YB Évaluation du niveau de trans-resvératrol dans le vin de raisin à l'aide d'un capteur électrochimique poreux à base de graphène induit par laser. Sci. Environ. 714, 136687 (2020).

Article CAS Google Scholar

Zobeiri, H., Hunter, N., Wang, R., Wang, T. et Wang, X. Caractérisation directe du non-équilibre thermique entre les phonons optiques et acoustiques dans du papier graphène sous excitation photonique. Adv. Sci. 8, 2004712 (2021).

Article CAS Google Scholar

Gao, XL et al. Hydrogels d'oxyde de graphène réduit préparés en présence de phénol pour condensateurs électrochimiques à hautes performances. N. Carbon Mater. 34, 403–415 (2019).

Article Google Scholar

Vous, Z. et al. Les composites nanoparticules-graphène de métaux nobles induits par laser ont permis un biocapteur flexible pour la détection d'agents pathogènes. Biosens. Bioélectron. 150, 111896 (2020).

Article CAS Google Scholar

Han, Y. et al. Croissance directe de graphène extensible à grande surface hautement conducteur. Adv. Sci. 8, 2003697 (2021).

Article CAS Google Scholar

Lin, J. et al. Films de graphène poreux induits par laser à partir de polymères commerciaux. Nat. Commun. 5, 5714 (2014).

Article CAS Google Scholar

Kurra, N., Jiang, Q., Nayak, P. & Alshareef, HN Graphène dérivé du laser : une électrode de graphène imprimée en trois dimensions et ses applications émergentes. Nano Aujourd'hui 24, 81–102 (2019).

Article CAS Google Scholar

Feng, J., Zhang, W., Liu, C., Guo, M. et Zhang, C. Orbites homoclines et hétéroclines dans les vrilles de concombre grimpantes. Sci. Rep. 9, 5051 (2019).

Article CAS Google Scholar

Kha, H., Tuble, SC, Kalyanasundaram, S. & Williamson, RE Wallgen, logiciel pour construire des réseaux de cellulose-hémicellulose en couches et prédire leur petite mécanique de déformation. Physique Végétale. 152, 774–786 (2010).

Article CAS Google Scholar

Wu, SY, Peng, SH, Han, ZJ, Zhu, HW & Wang, CH Capteurs de contrainte ultrasensibles et extensibles basés sur un réseau de graphène vertical en forme de labyrinthe. ACS Appl. Mater. Interfaces 10, 36312–36322 (2018).

Article CAS Google Scholar

Trung, TQ et al. Un capteur de température extensible insensible à la déformation basé sur des fibres composites élastomères autoportantes pour la surveillance corporelle de la température de la peau. ACS Appl. Mater. Interfaces 11, 2317–2327 (2019).

Article CAS Google Scholar

Yang, J. et al. Capteur de température portable basé sur des nanomurs de graphène. RSC Adv. 5, 25609–25615 (2015).

Article CAS Google Scholar

Zhang, Z. et al. Graphène induit par laser à lumière visible à partir de résine phénolique : une nouvelle approche pour écrire directement des dispositifs électrochimiques à base de graphène sur divers substrats. Carbone 127, 287–296 (2018).

Article CAS Google Scholar

Télécharger les références

Ce travail a été soutenu par les Fonds communs de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (Grant No. U20A2019).

Laboratoire de détection intelligente de l'information agricole, Collège d'ingénierie des biosystèmes et des sciences alimentaires, Université du Zhejiang, 866 Yuhangtang Road, Hangzhou, 310058, République populaire de Chine

Chao Zhang, Chi Zhang, Xinyue Wu, Jianfeng Ping et Yibin Ying

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Tous les auteurs ont contribué à la discussion des résultats et à la préparation du manuscrit. Chao Zhang, Jianfeng Ping et Yibin Ying ont conçu les idées originales présentées dans cet ouvrage. Chao Zhang a dirigé la conception et la fabrication du capteur. Chi Zhang et Xinyue Wu ont dirigé la conception et la fabrication du circuit de détection sans fil. Chao Zhang a écrit le manuscrit qui a été encore amélioré par Jianfeng Ping et Yibin Ying.

Correspondance à Yibin Ying.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Note de l'éditeur Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.

Libre accès Cet article est sous licence Creative Commons Attribution 4.0 International, qui permet l'utilisation, le partage, l'adaptation, la distribution et la reproduction sur n'importe quel support ou format, à condition que vous accordiez le crédit approprié à l'auteur ou aux auteurs originaux et à la source, fournissez un lien vers la licence Creative Commons et indiquez si des modifications ont été apportées. Les images ou tout autre matériel tiers dans cet article sont inclus dans la licence Creative Commons de l'article, sauf indication contraire dans une ligne de crédit au matériel. Si le matériel n'est pas inclus dans la licence Creative Commons de l'article et que votre utilisation prévue n'est pas autorisée par la réglementation légale ou dépasse l'utilisation autorisée, vous devrez obtenir l'autorisation directement du détenteur des droits d'auteur. Pour voir une copie de cette licence, visitez http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Réimpressions et autorisations

Zhang, C., Zhang, C., Wu, X. et al. Un système intégré et robuste de surveillance du pouls des plantes basé sur un capteur portable biomimétique. npj Flex Electron 6, 43 (2022). https://doi.org/10.1038/s41528-022-00177-5

Télécharger la citation

Reçu : 13 décembre 2021

Accepté : 27 mai 2022

Publié: 13 juin 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41528-022-00177-5

Toute personne avec qui vous partagez le lien suivant pourra lire ce contenu :

Désolé, aucun lien partageable n'est actuellement disponible pour cet article.

Fourni par l'initiative de partage de contenu Springer Nature SharedIt