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可打印的传感器能监测植物缺水状况

MEMS 2017-11-14 09:23 次阅读
又忘了给你桌上的植物浇水吗?它可能很快就能发出求救信号。据麦姆斯咨询报道,麻省理工学院的工程师们发明了可以打印在植物叶子上的传感器,一旦植物处于缺水状态时,传感器就会有提示信息。麻省理工学院化学工程学院的教授同时也是是该项技术的发明者Michael Strano介绍这种技术不仅可以救活被忽视的室内盆栽植物,更重要的应用是当农作物处于危险状态时发出预警。“在农业领域,能对干旱发出最早的指示,”Strano说,“很难用其他方式得到这些信息。

你可以把传感器埋进土壤里,或通过做卫星成像和绘图,但是你永远也不能得到具体某棵植物的水分状态。”Strano已经开始与大型农业生产商合作,将这类传感器用于农作物。他认为,这项技术也可以被园丁和城市化农民所用。他认为,这可能也有助于研究人员开发新的方法来培育抗旱植物。麻省理工大学博士后Volodymyr Koman,也是该论文的主要作者。该论文于11月8日在期刊《芯片实验室》(Lab on a Chip)的网站上发表。
麻省理工学院的化学工程师发明了可以检测植物气孔开闭的传感器(来源:麻省理工学院化学工程学院)可打印的传感器当土壤变干时,植物生长速度减慢,光合活性降低,对组织产生损害。有些植物开始枯萎,但有些植物在遭受重大损害之前并不显露任何迹象。麻省理工学院发明的传感器利用了植物的气孔——叶子的水分通过其表面的小气孔蒸发。当水分从叶子中蒸发时,植物中的水压降低,从而通过叫做蒸腾作用的过程从土壤中汲取水分。

植物生物学家虽然知道气孔在阳光下开放并在黑暗中关闭,但对这种开合的动力学研究很少,因为目前还没有实时的直接测量气孔的好方法。“气孔对光、二氧化碳浓度、水分的反应机理已经为人类所知,现在我们已经能够连续监视这种反应,”Koman说,“而以前的方法无法得到这种信息。”为了制造这种传感器,麻省理工学院的研究人员使用了一种由碳纳米管制成的墨水,这种微小的空心碳管能导电,再溶解在一种被称为“十二烷基硫酸钠”的有机化合物中,并不会破坏气孔。这种墨水可以印刷在气孔上形成电路。当气孔闭合时,电路连通,电流可以通过将电路连接到万用表进行测量。当气孔开放时,电路断开,电流无法通过。这就允许了研究人员精确测量某个单孔是开放还是闭合的。

经过几天的测量,研究人员发现,在正常和干燥的条件下,需要两天时间才能发现植物的水分出现异常。他们发现,有光照后气孔大约需7分钟才会开放,当黑暗降临时,要经历53分钟才能关闭,但这些反应在干燥的条件下会发生变化。研究人员发现,当植物水分缺失时气孔开放的平均时间为25分钟,而气孔关闭的时间减少到45分钟。明尼苏达大学机械工程系副教授Michael McAlpine虽然没有参与这项研究,但他认为“这项工作是令人兴奋的。因为这提供了直接印刷电子器件在植物,并长期监测植物对环境因素(如干旱)产生的生理反应的可能性。”

干旱预警在这项研究中,研究人员在一种叫做“和平百合”的植物上对传感器进行了。之所以选择和平百合,是因为它的气孔大。为了将墨水打印到叶子上,研究人员发明了一种带有微流体通道的印刷模具。当模具被放置在叶子上时,流过通道的墨水被沉积在叶子表面。

麻省理工学院的研究小组正致力于一种新方法,只需简单地在树叶表面贴上一张“贴纸”来实现电子电路。研究人员建议,除了大型农业生产者之外,园丁和城市化农民应该对这种设备也有兴趣。“这对农业来讲意义重大。特别是随着气候的变化,将出现水资源短缺和环境温度变化的地区。”Koman说。在工作中,Strano的实验室正在探索创造传感器阵列的可能性,这可以用来探测光线,并如相机一般地捕捉图像。这项研究由美国能源部、瑞士国家科学基金会、新加坡科技研究局资助。

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