一、綜述背景

隨著全球人口持續(xù)快速增長，糧食安全壓力日益加劇，提升農作物產量、實現(xiàn)精細化種植、保護生態(tài)環(huán)境已經成為現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展的核心需求。而要做到真正的精準農業(yè)，第一步就必須實現(xiàn)對植物生長狀態(tài)、生理信息、周邊環(huán)境的實時、無損、長期、原位監(jiān)測。

但長期以來，傳統(tǒng)植物監(jiān)測手段存在諸多難以解決的痛點：人工觀測效率低、主觀性強、無法連續(xù)記錄；光學成像設備依賴光照、算法復雜、難以在野外長期工作；化學檢測方法大多需要離體取樣，屬于有損檢測，會破壞植物組織；傳統(tǒng)剛性傳感器體積大、貼合性差，會影響植物正常生長，無法實現(xiàn)長期穿戴式監(jiān)測。

在此背景下，可穿戴柔性傳感器應運而生。它可以像“創(chuàng)可貼”一樣貼在葉片、莖稈、果實表面，不影響植物光合作用與生長，同時將生長形變、水分狀態(tài)、溫濕度、氣體、激素、脅迫信號等轉化為電信號，實現(xiàn)全天候無感監(jiān)測。結合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)與人工智能技術，可穿戴傳感器能夠實現(xiàn)遠程監(jiān)控、智能決策、精準灌溉與病蟲害早期預警。

然而，目前植物可穿戴傳感領域仍面臨一系列關鍵瓶頸：長期工作穩(wěn)定性不足、田間環(huán)境干擾抑制能力弱、多傳感器協(xié)同優(yōu)化困難、制造成本偏高、缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準、跨作物泛化性差等。同時，現(xiàn)有綜述大多只關注器件類型與傳感機制，缺少對實際田間應用、規(guī)?；涞爻杀尽⒉煌魑镞m配性的系統(tǒng)分析。

因此，這篇綜述論文，全面系統(tǒng)梳理了植物可穿戴柔性傳感技術的最新進展，明確技術路線、應用場景、核心挑戰(zhàn)與未來方向，為該領域科研人員、農業(yè)工程師與產業(yè)從業(yè)者提供了完整的參考框架。

圖1：按結構與應用對植物可穿戴傳感器進行分類，明確指出60% 現(xiàn)有設備只能監(jiān)測單參數(shù)，是目前最大技術缺口；

二、綜述要點

這篇綜述圍繞植物可穿戴柔性傳感器展開，從傳感原理、器件分類、性能對比、應用場景、田間挑戰(zhàn)五大維度進行了系統(tǒng)性總結。

1. 三大核心傳感技術體系

（1）光學類可穿戴傳感器

光學傳感器主要解決傳統(tǒng)電學傳感器信號不穩(wěn)定、靈敏度不足、遲滯誤差大的問題，具備非接觸、無損、抗電磁干擾、特異性強等優(yōu)勢。

主要包括四類：

紅外傳感器：通過反射與散射信號，監(jiān)測莖稈/果實生長、葉片水分、植物脅迫狀態(tài)，分辨率可達 0.5 mm；

拉曼傳感器：提供植物“化學指紋”，可同時識別多種物質，用于氮營養(yǎng)、病蟲害、化學脅迫檢測；

熒光傳感器：基于熒光淬滅/增強機制，超高靈敏度監(jiān)測氣孔活動、H?O?、重金屬、紫外線脅迫；

光纖光柵 FBG 傳感器：通過波長偏移測量形變、濕度、溫度，可連續(xù) 72 小時以上監(jiān)測果實與莖稈生長，生物兼容性好。

優(yōu)點：精度高、無損、不干擾植物；

缺點：田間易受光照、葉片反射、背景散射干擾。

圖2–5：展示光電傳感、熒光傳感、光纖 FBG 傳感的工作原理，以及在葉片、果實上的原位安裝方式；

（2）柔性電子傳感器

柔性電子傳感器是目前最接近實用化的路線，以可彎曲、可拉伸、易貼合、成本低為核心優(yōu)勢，能夠完美貼附在植物表面。

主要分為三類：

電阻型應變傳感器：以 CNT、石墨烯、液態(tài)金屬、LIG 為敏感材料，監(jiān)測莖稈脈動、果實膨大、生長速率，靈敏度可達亞納米級，最長可穩(wěn)定監(jiān)測 9 天；

阻抗型傳感器：通過阻抗變化監(jiān)測汁液流動、水分含量、溫度各向異性，可無創(chuàng)監(jiān)測莖流，揭示植物晝夜水分規(guī)律；

多模態(tài)集成傳感器：同時采集溫度、濕度、光照、應變、氣體等信號，比單參數(shù)傳感器誤差降低 30%，可連續(xù)工作超過 15 天。

優(yōu)點：易制造、可大面積貼合、適合產業(yè)化；

缺點：長期野外工作易受風雨、紫外線老化影響，電極易開裂。

圖6–8：呈現(xiàn)電阻式、阻抗式、多模態(tài)柔性傳感器的結構設計，展示如何貼附在莖稈與葉片上；

（3）生化類可穿戴傳感器

生化傳感器直接監(jiān)測植物體內或體表的化學物質與生物分子，是實現(xiàn)病害早期預警、脅迫精準識別的核心手段。

分為兩類：

化學傳感器：檢測 VOC 揮發(fā)性有機物、NO?、甲醇、氨氣、臭氧等，可提前 4 天預警番茄晚疫病，區(qū)分機械損傷與干旱脅迫；

生物傳感器：基于特異性識別，檢測水楊酸、農藥殘留、活性氧、離子濃度，檢測限低至 nM 級，可用于精準農業(yè)與食品安全。

優(yōu)點：可檢測傳統(tǒng)傳感器無法監(jiān)測的生化信息；

缺點：易受溫濕度、氣流、背景揮發(fā)物干擾，標定頻繁。

圖9–10：生化傳感器工作流程，展示 VOC、激素、農藥的檢測機制；

 2. 五大核心應用場景

（1）植物生長監(jiān)測

實時捕捉果實膨大速率、莖稈伸長、直徑變化，最高分辨率達 50 nm/s，最長連續(xù)監(jiān)測 9 天，不影響植物自然生長。

（2）微環(huán)境監(jiān)測

貼附在葉片表面，精準感知植物“貼身”的溫度、濕度、光照強度，反映真實微氣候，指導灌溉與通風。

（3）水分傳輸監(jiān)測

無創(chuàng)監(jiān)測葉片含水量、莖稈汁液流速，揭示植物體內水分運輸規(guī)律，是節(jié)水農業(yè)的關鍵技術支撐。

（4）脅迫響應早期監(jiān)測

識別干旱、UV、臭氧、病蟲害、機械損傷，通過 VOC、激素、阻抗變化提前預警，減少農藥與減產損失。

（5）氣體與環(huán)境安全監(jiān)測

檢測氨氣揮發(fā)、有害氣體、農藥殘留，用于農田生態(tài)監(jiān)控、大棚環(huán)境管理與農產品安全溯源。

3. 實驗室走向田間的核心挑戰(zhàn)

綜述明確指出，目前植物可穿戴傳感器仍難以大規(guī)模落地，主要障礙包括：傳感器–植物界面不穩(wěn)定，易脫落、損傷葉片；田間光照、溫濕度、風雨、氣流造成信號漂移；制備工藝昂貴（激光直寫、氣相沉積），難以卷對卷量產；供能不足，自供電系統(tǒng)效率低，且易遮擋光合作用組織；數(shù)據(jù)標準不統(tǒng)一，AI 融合程度低，跨作物泛化能力差；長期生物兼容性不足，部分納米材料存在潛在風險。

三、總結與展望

這篇文章是目前植物可穿戴柔性傳感領域體系最完整、落地導向最強的綜述之一。它首次同時覆蓋：光學、柔性電子、生化三大技術路線；生長、環(huán)境、水分、脅迫、氣體五大應用場景；實驗室性能與田間實際挑戰(zhàn)；成本、工藝、產業(yè)化、跨作物泛化等產業(yè)關鍵問題。

植物可穿戴柔性傳感器已經實現(xiàn)了從單參數(shù)到多模態(tài)、從剛性到柔性、從有損到無損、從離線到實時的技術跨越，成為精準農業(yè)、植物表型、生態(tài)監(jiān)測、智慧農場的革命性支撐技術。但要真正走向大規(guī)模田間應用，仍必須突破穩(wěn)定性、抗干擾、低成本、自供能、數(shù)據(jù)標準化五大瓶頸。

未來，隨著材料、算法、能源與制造技術的不斷突破，貼在每一片葉子、每一株作物上的“智能穿戴”將走進田間地頭，讓農業(yè)更高效、更節(jié)水、更安全，真正實現(xiàn)科技賦能萬物生長。

文獻鏈接：Wearable and flexible sensor technologies for monitoring plant physiology and environmental conditions

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