生体模倣ウェアラブルセンサーに基づいた、統合された堅牢な植物パルス監視システム

Oct 23, 2023

npj フレキシブル エレクトロニクス 第 6 巻、記事番号: 43 (2022) この記事を引用

3317 アクセス

9 引用

メトリクスの詳細

植物ウェアラブルセンサーには、植物の生理学的情報を継続的に測定できる可能性があります。 しかし、従来の植物ウェアラブルセンサーにはインターフェイス適応性がないため、腺毛やワックスを含む植物を安定して忠実にモニタリングすることは困難です。 ここでは、適応巻線植物の蔓にヒントを得て、植物パルス監視用の適応巻線ひずみ (AWS) センサーに基づく統合型植物ウェアラブル システム (IPWS) が開発されました。 IPWSは、AWSセンサー、フレキシブルプリント基板、スマートフォンAPP表示インターフェースの3つのモジュールで構成されています。 重要な要素として、AWS センサーはトマトの茎の周りを適応的に包み込むことができます。 重要なのは、蛇行パターンのレーザー誘起グラフェンを使用した AWS センサーは、温度抵抗係数 0.17/°C の温度干渉に対する優れた耐性を示します。 IPWS は、トマト植物の成長と水の状態をリアルタイムで反映できる植物パルスを安定かつ高忠実度で監視することが実証されています。

沈黙する植物と通信して成長情報を取得することは、メカニズムの研究と作物の収量の向上に重要です1、2、3、4、5。 研究によると、植物の成長プロセスは人間の脈拍の収縮と拡張に似ており、日中と夜間の茎の収縮と拡張に具体化されています6、7、8。 そして拡大を繰り返すことが植物の成長につながります。 実際、植物のパルスは植物による水分の吸収と蒸散に関係しています8,9,10。 日中、葉のほとんどの気孔が開いており、葉からの水分の蒸散が根による水分の吸収よりも多いとき、茎の直径はほとんど変化または縮小しません。 夜間、葉の気孔が閉じると、葉からの水分の蒸発よりも根からの水分の方が多く吸収され、茎が伸びます。 水分が不足すると茎は明らかに縮みます。 したがって、植物の脈動を監視することで、植物の成長と水の供給の関係を理解することができます。

現在、プラントのパルス監視に適用されているセンサーは、主にリジッド線形可変トランスデューサー (LVDT) センサーです11。 かさばって重い LVDT センサーは固定が難しく、植物に事前に締め付ける力がかかります 8。植物の苗の成長は結実と収量の基礎となるため、植物の苗の監視には適していません。 最近、植物に装着できる柔軟なひずみセンサーが、植物の成長を継続的に測定できる大きな可能性を秘めていると考えられています12、13、14。 近年、植物の成長を監視するためのいくつかの平面ひずみセンサーが開発されました2、3、4。 ただし、プラントのパルス監視に平面ひずみセンサーを応用するには、まだいくつかの課題が存在します。 まず、植物の茎にある緻密な腺毛とワックスがウェアラブル平面センサーの固定に影響を与えます。 テープで植物に固定されたセンサーは植物の成長には役に立たず、長期間の監視中に脱落する可能性があります。 さらに、複雑な環境はセンサーの安定性に脅威をもたらします15。 実際、植物の生育環境は光、湿度、温度の変化など、複雑で変化しやすいため、センサーのデータ忠実度の損失につながる可能性があります16。 最後に、有線によるデータ取得方法には、配線が煩雑でコストがかかるという欠点があります。 私たちの知る限り、プラントのパルス監視用に、柔軟な適応性と優れた耐干渉性能を備えたウェアラブル センシング システムはまだ報告されていません。 したがって、プラントのパルスを監視するための、柔軟な適応性、耐干渉性能、および無線データ送信を備えたプラントウェアラブルセンシングシステムを開発する必要があります。

ここでは、植物パルスを無線監視するための適応巻線ひずみ（AWS）センサーに基づく統合植物ウェアラブルシステム（IPWS）が開発されました（図1a）。 IPWSは、AWSセンサー、フレキシブルプリント基板、スマートフォンAPP表示インターフェースの3つのモジュールで構成されています。 重要な要素である AWS センサーは、植物の蔓からインスピレーションを受けて設計されており、ペーストや接着剤を使用せずにトマトの茎に適応的に巻き付けることができます。 この生体模倣の蔓構造は、直接の伸張ひずみを曲率効果に変換し、亀裂破壊によるひずみの欠乏を回避します。 さらに、AWS センサーは蛇行パターンのデザインにより温度干渉に対する耐性を示し、植物パルスの長時間かつ干渉のない監視を実現します。 ステムの伸縮により AWS センサーが刺激されて抵抗変化が生成され、抵抗変化データをスマートフォンにワイヤレスで送信する IPWS によって記録できます。 結果は、IPWSシステムが植物のパルスを正確に監視してトマト植物の成長と水分の状態を診断できることを示しています。

a トマト苗上の植物蔓とIPWSの光学画像。 b フレキシブルプリント回路と統合された AWS センサーの概略図。 c AWS センサーの製造の概略図。 d 曲がったプリント回路の光学画像、および AWS センサーからユーザー インターフェイスまでの信号変換、処理、無線送信のシステム設計の概略図。

補足図1に示すように、トマトの茎の表面には緻密な腺毛とエッセンシャルオイルがあり、柔軟なウェアラブルセンサーの固定には適していません。 植物の蔓は宿主植物の茎の周りに巻きつくことができ、らせん線の曲率は宿主植物の正常な成長に影響を与えることなく、植物の茎の伸縮に応じて自動的に変化します17,18。 植物の蔓に関する研究では、蔓の凹面に近い層は反対側の層よりも木化度が高く、繊維界面でのひずみの不一致が生じ、蔓がカールすることが証明されています 18,19,20。 このメカニズムに従って、生体模倣蔓構造を備えた植物ウェアラブルセンサーが設計され、固定具やテープを使わずにトマトの茎に適応的に巻き付けることができます（図1a）。 図1bに示すように、AWSはサンドイッチ構造であり、3D多孔質レーザー誘起グラフェン（LIG）壁が透明なEcoflex層の間に挟まれています。 挟まれた LIG 層は、ひずみ応答を抵抗信号に変換でき、フレキシブル プリント回路モジュールによって捕捉、変換、送信できます。 AWS センサーの準備プロセスを図 1c に示します。 重要な戦略は 2 つあります。 まず、パターン化された LIG をポリジメチルシロキサン (PDMS) から Ecoflex に転写します。 ポリエチレンテレフタレート（PET）、ガラス、ポリスチレン、PDMS基板上に3D多孔質LIG壁をそれぞれ作製しました。 次に、Ecoflex を適用して LIG を転写しました。 補足図2に示すように、結果は、最初の3つの基板上のLIGは完全に転写できず、PDMS基板上のLIGのみが完全に転写できたことを示しました。 これは、LIG24 を剥離するための非粘着性の基板となる PDMS の表面エネルギーが低いため (≈30 mN m‒1)21,22,23 です。 この戦略により、正確な LIG パターンを大規模に転送できます (補足図 3)。 次に、転写されたパターン化された LIG を裏返し、あらかじめ延伸した別の Ecoflex フィルムの表面に貼り付けます。 あらかじめ伸ばされたフィルムを剥がした後、上部と下部の界面間の歪みが不一致であるため、複合ポリマーフィルムは自動的にカールして、特定の曲率を持った巻きひげ構造になります。 スパイラル構造の曲率は、電気機械特性の特性評価で説明されるプレトレインを調整することによって調整できます。

ワイヤレスデータ通信は、ウェアラブルセンシングシステムにおいて重要な役割を果たします25、26、27。 人体用のウェアラブル無線センサー システムは、Bluetooth 通信と統合されることがよくあります28、29、30。 しかし、Bluetoothによる無線伝送では、現場での植物の遠隔監視や大規模監視を実現することは不可能です。 そこで、AWSセンサーとスマートフォン間の無線通信を実現するために、WIFI無線データ送信機能を備えたフレキシブルプリント基板を設計・作製した。 詳細な原理と製造プロセスは方法のセクションで説明され、図1dと補足図4に示されています。補足図4に示すように、ユーザーは携帯電話インターフェイスを介して複数のトマトのモニタリングデータを表示し、データをエクスポートできます。

フェノール樹脂（PR）フィルム上に3D多孔質LIGを作製し、そのLIGをEcoflexフィルムに転写しました（図2、3）。 走査電子顕微鏡 (SEM) を使用して、LIG および転写された LIG の形態を特徴付けました。 LIG の微細構造は主にレーザー出力と走査速度によって決まります (図 2)31,32。 レーザー出力が低く、走査速度が速いと、グラフェンの形成に十分なエネルギーが供給されません (図 2a)。 レーザー出力が高すぎると、3D多孔質グラフェン構造が過剰に燃焼し、層構造が崩壊し、抵抗が増加します（図2e）。 図 2b は、レーザー出力 2.5 W、走査速度 27 cm s-1 で 3D 多孔質グラフェン壁構造を形成できることを示しています。これらの多孔質構造は、レーザー変換プロセスでのガスの放出によって形成されます。 均一な 3D 多孔質構造により Ecoflex の浸透が容易になり、PDMS 基板の表面から完全に転写できます。 転写プロセス後、相互接続された多層LIGシート構造は保持され、シリコーンゴムは必然的に多くの多孔質空間を占めます（図3f、g）。 5％のひずみを加えた後（図3h）、ギャップ、アイランド、および分離されたアイランドを接続するブリッジからなる多数の微小亀裂が表面に現れることがわかります33。 これらの微小亀裂は元の導電ネットワークの部分的な破壊を引き起こし、電気抵抗とひずみ応答の増加につながります 34,35。

a – c 2.5 W のレーザー出力で異なるレーザー スキャン速度 (80、27、16 cm s-1) で作成した LIG の SEM 画像。 d、e 異なるレーザー出力 (2.2 および 2.8 W で作成した LIG の SEM 画像) ) レーザースキャン速度 27 cm s-1。 f 準備されたLIGのSEM画像と、C、O、およびSi元素の対応する元素マッピング。 スケールバー: 10 μm。

a 移転前のLIGの図。 b LIGのSEM画像。 c LIGのラマンスペクトル。 d LIGのXRD分析。 e 移管されたLIGの図。 f、g 転写されたLIGのSEM画像。 h 5%のひずみ下で移されたLIGのSEM形態。 スケールバー: b = 5 μm、f = 20 μm、g、h = 200 μm。

ラマンスペクトルは炭素材料の重要な特性評価技術であり、分子内の幾何学的構造と結合に非常に敏感です 36,37。 図3cに示すように、LIGは、1335cm-1のDバンド、1582cm-1のGバンド、2659cm-1の2Dバンドを含むグラフェンの3つの典型的なラマンピークを示しますが、Dバンドは構造グラフェンの欠陥、G バンドはグラファイトカーボン E2g パターンに関連しています 36、38、39。 0.52 という低い ID/IG 比は、グラフェンの高度に結晶性の構造を明らかにしています 40、41、42。 明らかな 2D バンドは、3D 多層グラフェン構造の形成を明らかにしています 43。 LIGとPRのX線回折（XRD）パターンを図3dに示します。 PRの特徴的なピークは19.1°にありますが、LIGのラマンスペクトルにはPRの特徴的なピークはほとんどありません。 典型的な黒鉛結晶相 (002) と (100) のピークがそれぞれ 26.1° と 43.4° にあります 32,44。 これらの結果は、グラフェン構造の形成をさらに確認します。

AWS センサーの電気機械的特性 (図 4a ～ c​​) は、機械的引張試験によって調査されました。 植物の蔓のひずみと同様に、AWS センサーのひずみプロセスは弾性変形と塑性変形で構成されます 45。 ひずみプロセス中に最初に弾性変形が発生し、次に塑性変形が続きます。 LIG 構造は引き裂かれ、最終的には塑性変形中に破壊されました。 図4bに示すように、AWSセンサーの有効ひずみ感知範囲に対するさまざまな予ひずみ（0％、30％、50％、100％、200％）の影響を調査しました。 平面センサー (予ひずみ 0%) のひずみ検出範囲と比較して、ASW センサー (予ひずみ 30% ～ 200%) はより高い有効ひずみ検出範囲を示します。 予ひずみが 30% から 200% に増加すると、ひずみ検出範囲は 240% から 66% に減少します。 これは、予ひずみが大きいと曲率が小さい螺旋が多くなり、弾性変形範囲が減少し、塑性変形が早期に発生するためです（補足図5a）。 したがって、スパイラル構造の機械的特性は予ひずみによって調整できます。 特定のメカニズムは、腱の曲率表現 19 によって説明できます。

ここで、ε は予歪み、t1 と t2 はそれぞれ上部と下部の Ecoflex フィルムの厚さです。 また、m = t1/t2、n = E1/E2 (E1 と E2 はそれぞれ上部と下部の Ecoflex フィルムのヤング率です)。 この研究では、t1、t2、E1、E2、m、n は一定です。 したがって、蔓の初期曲率は主に予ひずみによって決まります。 らせん構造の弾性率（E）に対する予ひずみの影響を評価しました（図4c）。 ひずみ-応力曲線の近似直線部分の傾きが得られる蔓の弾性率です45。 結果は、30% ～ 200% の予ひずみの範囲では、予ひずみが増加するにつれて弾性率が増加することを示しています。 予ひずみの 30%、50%、および 100% に相当する弾性率は 0.006、0.02、および 0.078 MPa であり、これは植物細胞の膨圧 (0.2 ～ 1.0 MPa) よりもはるかに小さいです 46。 したがって、植物の茎に巻き付けられた AWS センサーによって発生するプリテンションは、植物の正常な成長に影響を与えることはありません。 補足の図5bは、1％から100％までのさまざまなひずみ下でのAWSセンサー（100％の予ひずみの下で準備さ​​れ、その有効ひずみは約150％）の可逆応答を示しています。 さまざまなひずみに対して、センサーはひずみの増加に応じて可逆的な増加した応答を示します (1% と 5% の不純物のピークは、治具の突然の停止による振動によって引き起こされる可能性があります)。 さらに、センサーの繰り返し応答は、60％のひずみで8000秒間記録され（補足図5c）、センサーは安定したままで、優れた耐久性を示します。 抵抗変化率 (ΔR/R0) のピーク値の下方ドリフトが最初の数サイクルで観察されました。 これは、新しい導電ネットワークの構築と、その後の周期的な荷重と除荷中の導電ネットワークの平衡状態の形成によるものと考えられます47。

a 実験装置の光学画像。 b 異なる予ひずみと引張ひずみを備えた AWS センサーの相対抵抗変化。 c 異なる予歪を伴うらせん構造の弾性率 (E)。 d ガラスロッドを使用した静的シミュレーションの概略図。 e 異なる直径 (2、3、5、7、10 mm) のガラス棒に対するセンサーの反応。 f 注射器を使用した動的シミュレーションの概略図。 g 動的シミュレーションによるセンサーの応答。 h 感知機構の模式図。

この研究では、静的シミュレーション (図 4d、e) および動的シミュレーション (図 4f、g) の方法を使用して、AWS センサーの感知メカニズムを調査しました。 相対的なメカニズムを図4hに示します。 異なる直径（2、3、5、7、10 mm）のガラスロッドに対するセンサーの応答を静的シミュレーションで調査しました（図4d）。 図4eに示すように、抵抗変化率はガラスロッドの直径の増加とともに増加し、センサーの抵抗変化率とガラスロッドの直径の間には良好な線形関係があります（R2 = 0.9934）。 これは、ガラスロッドの直径が減少するとセンサーの曲率が増加し、3D 多孔質グラフェン構造がより圧縮されるためと考えられます (図 4h)。 動的シミュレーションでは、AWS センサーが巻かれた 5 mL シリンジが自動サンプル注入ポンプに固定されました。 注入ポンプがシリンジのピストンをゆっくりと押しました。 ピストンが通過すると、約100μmの小さな膨張が発生しました（図4f）。 その結果、膨張により曲率が減少し、圧縮された3D多孔質グラフェン構造の一部が解放され、電気抵抗が増加します（図4h）。 直線パターンのグラフェンセンサーと蛇行パターンのセンサーの応答を比較すると（図4g）、蛇行パターンのセンサーは直線パターンのセンサーよりも感度が低いことがわかります。蛇行構造は、機械的変形によって引き起こされる歪みを吸収できます48。

植物の成長には、適切な光、適切な湿度、温度差などの特定の環境条件が必要です。 したがって、動物や人間用の他のウェアラブル センサーとは異なり、植物ウェアラブル センサーのパフォーマンスに対する環境要因の影響を考慮する必要があります。 この研究では、温度、湿度、光がセンサーの性能に及ぼす影響を調査しました。 AWS センサーはガラス棒に巻き付けられ、人工気候ボックス内でテストされました。

温度が上昇すると、Ecoflex フィルムの熱膨張により導電ネットワークに微小亀裂が形成され、導電チャネルが長くなり、電気抵抗が増加します (図 5a)。 センサーの温度耐性を高めるために、AWS センサーの LIG パターンは蛇行するように設計されています。これは、蛇行構造が Ecoflex フィルムの熱膨張によって引き起こされる歪みを吸収できるためです 48,49。 図5bに示すように、直線パターンのAWSセンサーと比較して、蛇行パターンのAWSセンサーはより高い熱安定性を示します。 通常、トマトなどの温室作物は 15 ～ 30 °C の温度で生育します。 15 ～ 30 °C の範囲では、温度に対するセンサーの抵抗を推定するために抵抗温度係数 (TCR) が適用されます。 TCR は次の式で取得できます。

ここで、R(T) と R(T0) はそれぞれ 30 °C と 15 °C での抵抗です。 結果は、蛇行パターンの AWS センサーの TCR が 0.17/℃であり、直線パターンの AWS センサーの TCR (1.15/℃) よりもはるかに小さいことを示しています。 したがって、蛇行パターンのデザインを使用して、AWS センサーへの温度干渉を軽減できます。 図 5c、d に示すように、湿度範囲 55 ～ 65%、照度範囲 0 ～ 8 klx では、2 つのパターン化センサーの両方の抵抗応答は干渉されません。 これらすべては、蛇行パターンの LIG を備えた AWS センサーが優れた耐干渉能力を備えていることを示しており、これは複雑な圃場条件下で植物の挙動を監視する植物ウェアラブルセンサーにとって重要です。

a AWS センサーの熱膨張の概略図。 b 異なる温度における直線パターンの AWS センサーと蛇行パターンの AWS センサーの応答。 c 異なる湿度 (55%、60%、および 65%) での直線パターンの AWS センサーと蛇行パターンの AWS センサーの応答。 d 異なる照度（0 ～ 8 klx）での直線パターンの AWS センサーと蛇行パターンの AWS センサーの応答。

図 6a に示すように、AWS センサーはペーストや接着剤を使用せずにトマトの茎の周りに適応的に巻き付けることができます。 植物の蒸散速度が根の吸水速度よりも高い場合、茎は収縮します。 その代わりに茎が伸びます。 したがって、トマトの脈動は水の状態を反映するために使用できます。 IPWSにAWSセンサーを組み込むことで、応答信号を無線でスマートフォンに送信することができます。 高さ 25 cm の一連のトマト苗を in vivo モニタリングに使用しました。 図6bに示すように、IPWSを使用して、地上15cmで播種したトマトの茎直径変動（SDV）を監視しました。 市販の LVDT センサーを参照センサーとして使用して、IPWS の実用性と精度を検証しました。 LVDTセンサーはトマトの苗の茎（地上10cmの高さ）に輪ゴムで固定し、別のホルダーで安定させますが、トマトの苗にとっては非常に困難です。 また、LVDTセンサーは曲がって細いステムには固定できません。 対照的に、IPWS は輪ゴムや粘着テープを使わずにトマトの茎に簡単に取り付けることができます (図 6b)。

a 連続データ読み出し用スマートフォンを使用したプラントパルス監視用の IPWS の概略図。 b トマトの茎上の AWS センサーと市販の LVDT センサーの光学画像。 c IPWS と参照センサーから得られた 11 日間のモニタリング曲線。 d 2日目のモニタリング曲線。 e 土壌水分データと茎モニタリングデータ。 f IPWS および基準センサーによって測定されたステム拡張率。 g 基準センサーによって測定された SDV と IPWS によって測定された抵抗変化率の間の直線性。

トマトの茎は、人工気候ボックス内の IPWS と基準センサーによって 11 日間監視されました。 図 6c は、11 日以内の SDV のリアルタイム監視曲線を示しており、データは 10 秒ごとに記録されます。 全体的な SDV はパルスが増加傾向にある規則性を示しており、IPWS は基準センサーの応答傾向と一致しています。 2日目のモニタリングデータを例として（図6d）、昼夜のトマト茎の膨張と収縮を調査しました。 トマトの成長時間帯は主に夜間であることが分かりました。 昼間はSDVや抵抗変化率が安定する傾向にあります。 これは、植物の蒸散速度と根の吸水速度がほぼ等しいためです。 SDVと抵抗変化率が増加するのは、夜間のトマトの蒸散速度が根の吸水速度よりも低いためです。

一方、土壌水分センサーは、モニタリング中の相対土壌水分含量（RSWC）の変化を記録するために使用されました（図6e）。 初期の土壌水分は 50% でしたが、8 日目には 8% に低下しました。 水やり後は土壌水分が回復しました。 土壌水分と組み合わせて、2 つのセンサーの毎日の平均応答を比較すると、一貫した傾向が示されます。 土壌水分が30%以下になるとSDVの生育速度が遅くなることがわかった。 24％の土壌水分の下で閉じた気孔も、干ばつストレスの発生を示しています（補足図6a、b）。 土壌水分が回復した後、SDVの成長速度が増加し、気孔が開きます（補足図6c、d）。

図6fに示すように、IPWSと参照センサーから得られたSDVの最小成長率は、それぞれ8日目と9日目に現れます。 IPWS と基準センサーから得られる最小成長率の差は、センサーの位置の違いによって引き起こされる可能性があります。 10日目と11日目に土壌水分を増やすと、生育速度が増加しました。 さらに、基準センサーによって測定されたSDVとIPWSによって測定された抵抗変化率の間で線形フィッティングを実行しました（図6g）。 抵抗変化率とトマト茎の SDV の間に良好な線形関係があることがわかります (R2 = 0.9196)。 したがって、IPWS はトマトの水分の状態を反映してトマトの茎の膨張と収縮を明らかにすることができます。

要約すると、プラントパルス監視用の AWS センサーに基づく IPWS が開発されました。 AWS センサーは、生体模倣の蔓構造により、ステムの通常の拡張や収縮に影響を与えることなく、ステムに適応的に巻き付けることができます。 重要なのは、蛇行パターンの LIG を使用した AWS センサーは、直線パターンの LIG を使用したセンサーと比較して、環境温度によって引き起こされる熱膨張歪みに対する耐性が向上したことです。 結果は、IPWS が植物の茎の拡大と縮小をワイヤレスで監視し、トマトの成長と水分の状態をリアルタイムで反映できることを示しています。 この研究は植物のパルスを継続的に監視するのに重要であり、堅牢な植物のウェアラブル センサーの開発の参考にもなります。 将来的には、センサーをクラウドコンピューティングと統合し、監視情報を精密灌漑設備にフィードバックして、農業灌漑を効率的に誘導する必要があります。

塩化鉄 (III) (FeCl3) は Aladdin (中国) から購入しました。 PR は Shuangfu Plastic Raw Materials Co., Ltd (中国、東莞) から購入しました。 Ecoflex (Smooth on、0050) は、Dongzhixuan Co., Ltd (上海、中国) から購入しました。 PDMS (Dow Corning) は、Zadok Trading Co., Ltd (中国、上海) から購入しました。

SEM 画像は、電界放射型走査電子顕微鏡 (Hitachi SU8010、日本) から取得しました。 ＸＲＤ分析は、Ｄ８アドバンス回折計（Ｂｒｕｋｅｒ、ドイツ）によって測定された。 ラマンスペクトルの特性評価は、ラマン顕微鏡システム（LabRAM HR Evolution、Horiba Jobin Yvon）を使用して実行されました。 コンピューター制御のレーザースクライビング微細加工システム (Nano Pro-III、中国、天津嘉印ナノテクノロジー株式会社) を適用して、レーザー誘起プロセスを実行しました。 人工気候ボックス (PRX-1000D) は、中国の寧波安全実験装置有限公司から購入しました。

PR 前駆体溶液は PR と FeCl3 からなり、以前の報告のように調製されました 50。 ５ｇのＰＲ粉末を１０ｍＬのエタノールに溶解し、続いて２０ｍｇのＦｅＣｌ３を添加し、超音波溶解した。 FeCl3 は吸湿性が強いため、前駆体溶液は必要なときに調製する必要があります。 PR フィルムは PDMS 基板上に作製されました。 前駆体溶液は PDMS 基板全体を覆い、900 rpm min-1 の速度で 40 秒間のスピン コーティング プロセスにより均質な PR 膜が得られます。 得られたＰＲフィルムを、以下のレーザー誘導手順のために室温で乾燥させた。

AWS センサーの製造には 3 つの手順が含まれます。 まずはLIGの作製です。 レーザー出力 (2.2、2.5、および 2.8 W) とレーザー スキャン速度 (16、27、および 80 cm s‒1) を使用して、さまざまな形態の LIG を調製しました。 余剰のＰＲフィルムをエタノールと水で繰り返し洗浄して、パターン化されたＬＩＧを得た。 次に、パターン化されたLIGをEcoflexフィルムに転写します。 Ecoflex 液体前駆体シリコーンは、成分 A と B を 1:1 の比率で混合することによって調製されました。 平衡状態で 30 秒間、パターン化された LIG の表面にシリコーンを注入しました。 スピン コーティング手順を 600 rpm min-1 の速度で 60 秒間適用して、均質な Ecoflex フィルムを形成しました。 室温で 1 時間硬化させた後、硬化した Ecoflex フィルムを注意深く剥がして、Ecoflex/LIG 構造を得ました。 パターン化されたLIGの両端に銅線を導電性銀ペーストで貼り付け、Ecoflex/LIG電極を形成した。 最後にAWSセンサーの製作です。 Ecoflex/LIG 電極を裏返し、0%、30%、50%、100%、および 200% の予歪みで予め延伸した Ecoflex フィルム上に貼り付けました。 電極の背面は、Ecoflex 液体前駆体シリコーンをスピン コーティングし、室温で硬化してサンドイッチ構造を形成することによってカプセル化されました。 あらかじめ伸ばされたフィルムを剥がすことで AWS センサーが得られます。

AWSセンサーとスマートフォン間の無線通信を実現するためのFPCB上の回路を設計・製作しました。 このシステムは、AWS センサー、LDC2214 アナログ デジタル コンバーター (ADC)、WIFI モジュールを備えた ESP32 センター プロセッシング ユニット (CPU)、および電源で構成されています。 センサーは ADC に直接接続され、抵抗データが送信されました。 その後、センシング データは ESP32 コントローラーを通じて処理され、最後に挿入された WIFI モジュールによってスマートフォンに送信されました。 このシステムは、USB インターフェースまたは充電式リチウムイオン電池 (公称電圧 3.6 V) から電力を供給できます。

この研究の結果を裏付けるデータは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

リー、Ｚら。 ウェアラブルセンサーによる葉の揮発成分の化学抵抗プロファイリングによる植物ストレスのリアルタイムモニタリング。 問題 4、2553 ～ 2570 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

ナサール、JM et al. 局所的な微気候と植物の成長を監視するための準拠した植物ウェアラブル。 npjフレックス。 電子。 2、1–12 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

タン、W.ら。 植物の成長をリアルタイムで監視するためのウェアラブル カーボン ナノチューブ/グラファイトひずみセンサーを迅速に製造します。 カーボン 147、295–302 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

Tang, W.、Yan, T.、Ping, J.、Wu, J. & Ying, Y. 植物成長モニタリング用のキトサンベースの水性インクによる柔軟で伸縮性のあるひずみセンサーの迅速な作製。 上級メーター。 テクノロジー。 2、1700021 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

チャイ、YFら。 植物と共存するウェアラブルセンサーをその場で使用し、植物内の水の輸送を監視します。 上級科学。 8、2003642 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

Abdelfatah, A.、Aranda, X.、Save, R.、de Herralde, F. & Biel, C. 温室内の水ストレスサイクルにさらされた若い桜の木の最大日収縮の応答の評価。 農業。 水道管理。 118、150–158 (2013)。

記事 Google Scholar

Wang、XSら。 茎の直径の変化に基づいたトマトの水分含量の適切な指標の決定。 科学。 ホルティック。 215、142–148 (2017)。

記事 Google Scholar

Gallardo, M.、Thompson, RB、Valdez, LC、Fernandez, MD 温室栽培の野菜作物における水分ストレスに対する茎の直径の変化の応答。 Ｊ．ホーティック． 科学。 バイオテクノロジー。 81、483–495 (2006)。

記事 Google Scholar

Gallardo, M.、Thompson, RB、Valdez, LC、Fernandez, MD トマトの植物水分ストレスを検出するための茎直径の変化の使用。 イリグ。 科学。 24、241–255 (2006)。

記事 Google Scholar

フェルナンデス、JE & クエバス、MV 茎の直径の変化に基づく灌漑スケジュール: レビュー。 農業のために。 メテオロール。 150、135–151 (2010)。

記事 Google Scholar

Moreno, F.、Conejero, W.、Martín-Palomo, MJ、Girón, IF、Torrecillas, A. オリーブの木の灌漑スケジュールにおける最大日次幹収縮基準値。 農業。 水道管理。 84、290–294 (2006)。

記事 Google Scholar

Sengupta, D.、Romano, J. & Kottapalli、AGP 皮膚からインスピレーションを得た触覚センシング、固有受容、およびジェスチャー追跡アプリケーション向けにエレクトロスピニングされた束状カーボン ナノファイバー。 npjフレックス。 電子。 5、1–14 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

ハン、S.ら。 高感度と伸縮性を備えたマルチスケールのナノワイヤとマイクロ流体のハイブリッドひずみセンサー。 npjフレックス。 電子。 2、1–10 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Guo、XG et al. 引張座屈による複雑な 3D メソ構造とひずみセンサーの機械的アセンブリを制御します。 npjフレックス。 電子。 2、1–7 (2018)。

記事 Google Scholar

Chu、Z.ら。 耐水干渉性と高いセンシング性能を備えた新しいシワ勾配ひずみセンサ。 化学。 工学 J. 421、129873 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

趙、ＹＣら。 ウェアラブルな自立型電気化学センシング システム。 科学。 上級 6、eaaz0007 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

Wong, SK & Chen, KC 巻きひげを持つ仮想つる性植物をモデル化するための手続き型アプローチ。 計算します。 グラフ。 フォーラム 35、5–18 (2016)。

記事 Google Scholar

Wang, W.、Li, C.、Cho, M. & Ahn, SH 柔らかい巻きひげをイメージしたグリッパー: プログラム可能なポリマーと紙の二層複合材料の形状モーフィング。 ACS アプリケーションメーター。 インターフェイス 10、10419 ～ 10427 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Cheng, Y. et al. 超伸縮性と統合可能なエレクトロニクス、筋肉、センサー用の生体模倣導電性蔓。 ACS Nano 12、3898–3907 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Wang, M.、Lin, BP & Yang, H. 光調整可能な曲げおよびカイラルねじり動作モードを備えた植物の蔓を模倣したソフト アクチュエータ。 ナット。 共通。 7、13981 (2016)。

記事 CAS Google Scholar

Fuard, D.、Tzvetkova Chevolleau, T.、Decossas, S.、Tracqui, P. & Schiavone, P. 細胞接着と運動性を研究するためのポリジメチルシロキサン基板の最適化。 マイクロ電子。 工学 85、1289–1293 (2008)。

記事 CAS Google Scholar

Zhang、EN et al. 機械的に適合したシリコン脳インプラントは、脳の異物反応を軽減します。 上級メーター。 テクノロジー。 6、2000909 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

ワン、L.ら。 PDM/CNT で装飾されたエラストマー ナノファイバー複合材料をベースとした、伸縮性、耐腐食性に優れ、ウェアラブルなひずみセンサーです。 化学。 工学 J. 362、89–98 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

グレコ、Ｆ．ら。 極薄の導電性自立型 PEDOT/PSS ナノフィルム。 ソフトマター 7、10642–10650 (2011)。

記事 CAS Google Scholar

Park, YG、Lee, S. & Park, JU ウェアラブルエレクトロニクス用のワイヤレスセンサーの最近の進歩。 センサー 19、1–34 (2019)。

記事 Google Scholar

Lee, Y.、Cha, SH、Kim, YW、Choi, D. & Sun, JY 自己洗浄可能な摩擦電気ナノ発電機に基づ​​いた、透明で取り付け可能なイオン通信装置。 ナット。 共通。 1804 年 9 日 (2018 年)。

記事 CAS Google Scholar

Lorwongtragool, P.、Sowade, E.、Watthanawisuth, N.、Baumann, RR & Kerdcharoen, T. フレキシブルなプリント化学センサー アレイに基づくヘルスケア用の新しいウェアラブル電子鼻。 センサー 14、19700–19712 (2014)。

記事 Google Scholar

Lee, Y. 他高血圧管理に向けたナトリウム摂取量のリアルタイム定量化を実現するワイヤレス口腔内ハイブリッド電子機器。 手順国立アカデミー。 科学。 115、5377–5382 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Alam, AU、Clyne, D.、Jin, H.、Hu, NX & Deen, MJ 現場の水質モニタリングのための、完全に統合されたシンプルで低コストの電気化学センサー アレイ。 ACS Sens. 5、412–422 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

ヤン、Ｙら。 汗に含まれる尿酸とチロシンを高感度に検出する、レーザー彫刻されたウェアラブル センサー。 ナット。 バイオテクノロジー。 38、217–224 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

スタンフォード、MG et al. レーザー誘起グラフェン摩擦電気ナノ発電機。 ACSナノ。 13、7166–7174 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

Duy、LX et al. レーザー誘起グラフェンファイバー。 カーボン 126、472–479 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Wang, S. et al. 人間の動きの微妙なひずみと大きなひずみを検出するための、ネットワーク亀裂ベースのウェアラブルひずみセンサー。 J. メーター。 化学。 C. 6、5140–5147 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Luo, S.、Samad, YA、Chan, V. & Liao, K. セルラーグラフェン: 製造、機械的特性、およびひずみ検知アプリケーション。 事項 1、1148 ～ 1202 年 (2019)。

記事 Google Scholar

Zheng, Q.、Lee, J.-H.、Shen, X.、Chen, X.、Kim, J.-K. グラフェンベースのウェアラブルピエゾ抵抗物理センサー。 メーター。 今日 36, 158–179 (2020)

記事 CAS Google Scholar

トリッシ、L.ら。 レーザー誘起酸化グラファイト膜の構造欠陥のラマン調査。 EPJ Web会議 167、04011 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

フェランテ、C.ら。 超高速レーザー励起下でのグラフェンのラマン分光法。 ナット。 共通。 9、308（2018）。

記事 CAS Google Scholar

Zhang、C.、Ping、JF、Ying、YB レーザー誘起多孔質グラフェンベースの電気化学センサーを使用した、ブドウワイン中のトランス レスベラトロール レベルの評価。 科学。 トータル環境。 714、136687 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

Zobeiri, H.、Hunter, N.、Wang, R.、Wang, T. & Wang, X. 光子励起下のグラフェン紙における光学フォノンと音響フォノンの間の熱非平衡の直接特性評価。 上級科学。 8、2004712 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

ガオ、ＸＬら。 高性能電気化学キャパシタ用にフェノールの存在下で調製された還元酸化グラフェンヒドロゲル。 N.カーボンメーター。 34、403–415 (2019)。

記事 Google Scholar

あなた、Z ら。 レーザー誘起貴金属ナノ粒子とグラフェンの複合材料により、病原体検出用の柔軟なバイオセンサーが可能になりました。 バイオセンス。 バイオ電子。 150、111896 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

ハン、Ｙら。 高導電性の大面積伸縮性グラフェンを直接成長させます。 上級科学。 8、2003697 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

リン、J.ら。 市販のポリマーからレーザー誘起された多孔質グラフェン フィルム。 ナット。 共通。 5, 5714 (2014)。

記事 CAS Google Scholar

Kurra, N.、Jiang, Q.、Nayak, P. & Alshareef, HN レーザー由来グラフェン: 3 次元印刷グラフェン電極とその新たな応用。 Nano Today 24、81–102 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

Feng、J.、Zhang、W.、Liu、C.、Guo、M.、および Zhang、C. 登るキュウリの蔓のホモクリニック軌道とヘテロクリニック軌道。 科学。 議員第9号、5051号（2019年）。

記事 CAS Google Scholar

Kha, H.、Tuble, SC、Kalyanasundaram, S. & Williamson, RE Wallgen、層状セルロース - ヘミセルロース ネットワークを構築し、その小さな変形力学を予測するソフトウェア。 植物生理学。 152、774–786 (2010)。

記事 CAS Google Scholar

Wu、SY、Peng、SH、Han、ZJ、Zhu、HW、Wang、CH 迷路のような垂直グラフェン ネットワークに基づく超高感度で伸縮可能なひずみセンサー。 ACS アプリケーションメーター。 インターフェイス 10、36312–36322 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Trung、TQ et al. 皮膚温度を身体に装着してモニタリングするための、自立型エラストマー複合繊維をベースとした伸縮性のあるひずみの影響を受けない温度センサーです。 ACS アプリケーションメーター。 インターフェース 11、2317–2327 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

ヤン、Ｊ．ら。 グラフェンナノウォールをベースにしたウェアラブル温度センサー。 RSC アドバンス 5、25609–25615 (2015)。

記事 CAS Google Scholar

Zhang、Z.ら。 フェノール樹脂からの可視光レーザー誘起グラフェン: さまざまな基板上にグラフェンベースの電気化学デバイスを直接書き込むための新しいアプローチ。 カーボン 127、287–296 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

リファレンスをダウンロードする

この研究は、中国国家自然科学財団の共同基金 (助成金番号 U20A2019) によって支援されました。

浙江大学生物システム工学食品科学部農業情報インテリジェントセンシング研究室、866 Yuhangtang Road、Hangzhou、310058、PR China

Chao Zhang、Chi Zhang、Xinyue Wu、Jianfeng Ping、Yibin Ying

PubMed Google Scholar でこの著者を検索することもできます

PubMed Google Scholar でこの著者を検索することもできます

PubMed Google Scholar でこの著者を検索することもできます

PubMed Google Scholar でこの著者を検索することもできます

PubMed Google Scholar でこの著者を検索することもできます

著者全員が結果の議論と原稿の準備に貢献しました。 Chao Zhang、Jianfeng Ping、Yibin Ying は、この作品で提示されたオリジナルのアイデアを考案しました。 Chao Zhang はセンサーの設計と製造を担当しました。 Chi Zhang 氏と Xinyue Wu 氏は、ワイヤレス センシング回路の設計と製造を行いました。 Chao Zhang が執筆した原稿は、Jianfeng Ping と Yibin Ying によってさらに改良されました。

イービン・インへの対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

発行者注記 Springer Nature は、発行された地図および所属機関の管轄権の主張に関して中立を保っています。

オープン アクセス この記事はクリエイティブ コモンズ表示 4.0 国際ライセンスに基づいてライセンスされており、元の著者と情報源に適切なクレジットを表示する限り、あらゆる媒体または形式での使用、共有、翻案、配布、複製が許可されます。クリエイティブ コモンズ ライセンスへのリンクを提供し、変更が加えられたかどうかを示します。 この記事内の画像またはその他のサードパーティ素材は、素材のクレジットラインに別段の記載がない限り、記事のクリエイティブ コモンズ ライセンスに含まれています。 素材が記事のクリエイティブ コモンズ ライセンスに含まれておらず、意図した使用が法的規制で許可されていない場合、または許可されている使用を超えている場合は、著作権所有者から直接許可を得る必要があります。 このライセンスのコピーを表示するには、http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ にアクセスしてください。

転載と許可

Zhang, C.、Zhang, C.、Wu, X. 他。 生体模倣ウェアラブル センサーに基づいた、統合された堅牢な植物パルス監視システム。 npj Flex Electron 6、43 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41528-022-00177-5

引用をダウンロード

受信日: 2021 年 12 月 13 日

受理日: 2022 年 5 月 27 日

公開日: 2022 年 6 月 13 日

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

次のリンクを共有すると、誰でもこのコンテンツを読むことができます。

申し訳ございませんが、現在この記事の共有リンクは利用できません。

Springer Nature SharedIt コンテンツ共有イニシアチブによって提供