eng
Просмотры: 1343
14.08.2020
Система мультифункциональных гибких датчиков и биоинтерфейс «растение-машина» стали предметом исследования группы учёных
Возникновение биотических и абиотических стрессов представляет угрозу потенциального ухудшения для роста растений и последующего урожая. Очевидна важность внимательного наблюдения и оценки состояния здоровья растений. Обычные громоздкие и тяжелые датчики, как правило, ограничены представлением обобщенных данных о состоянии климата или совершают измерения в газообменных камерах. Как же быть, если мы хотим всё же вступить в эру интеллектуальной агротехнологии?
Существует стратегия, которая полагается на растения, интеллектуально подключенные с гибкими датчиками. Однако, подключение к физиологической информации внутри растений представляет собой сложную задачу, поскольку их сигнальные пути относительно сложные. Кроме того, синхронное обнаружение абиотических факторов стресса требует стабильной, гибкой, мультифункциональной сенсорной системы для продолжительного наблюдения без потери производительности и перекрёстных помех.
В свежем исследовании, опубликованном в ACS Nano под названием «Мультимодальная сенсорная система охраны здоровья растений» ("Multimodal Plant Healthcare Flexible Sensor System"), исследователи из Университета Префектуры Осака (OPU) сообщили, что им удалось создать интегрированную мультимодальную гибкую сенсорную систему, включающую:
Эта система может посредством подключения выявлять и сообщать о потенциальных проблемах со здоровьем растений. Примечательно, что состояние обезвоживания наглядно фиксируется в растении Пахира микрокарпа (Pachira macrocarpa) в течение длительного времени наблюдения (более 15 дней), основываясь на биоинтерфейсах «растение-машина» посредством влияния на процесс транспирации в растении.
Используя стопки из ZnIn2S4 (ZIS) двумерных наноструктур (nanosheets) в качестве базовой чувствительной среды, гибкий сенсор на основе ZIS-наноструктур может не только воспринимать момент появления света с быстрым откликом (~4 мс), но также отслеживать влажность с долгоиграющей стабильной производительностью. Поскольку ZIS-наноструктуры применяются в датчике влажности впервые, теоретические и практические исследования механизма измерения влажности были проведены максимально тщательно. Три основных абиотических стрессовых фактора (влажность, стресс и температура), которые управляют транспирацией в растениях измерены без возникновения перекрёстных помех в режиме реального времени.
Последующие задачи по развитию этого направления включают в себя:
Влияние газов окружающей среды, таких, как CO2, O2, или NOx на результаты, выводимые датчиком, также актуально исследовать в будущих изысканиях.
Если вам близка тема интеллектуальной агротехнологии и агробиотехнологии по гребне волны современных научных достижений, обратите внимание на книгу «Жизненный цикл и экология растений: регуляция и управление средой обитания в агробиотехносистемах. Сборник научных трудов. Выпуск 1» под редакцией профессора В.Н. Зеленкова, которая выпущена в нашем издательстве в серии «Библиотека Института стратегий развития».
Интегрируемое гибкое устройство, расположенное в нижнем эпидермисе листа для наблюдения процесса транспирации. © Lu et al. ACS Nano (2020), DOI: 10.1021/acsnano.0c03757
Существует стратегия, которая полагается на растения, интеллектуально подключенные с гибкими датчиками. Однако, подключение к физиологической информации внутри растений представляет собой сложную задачу, поскольку их сигнальные пути относительно сложные. Кроме того, синхронное обнаружение абиотических факторов стресса требует стабильной, гибкой, мультифункциональной сенсорной системы для продолжительного наблюдения без потери производительности и перекрёстных помех.
В свежем исследовании, опубликованном в ACS Nano под названием «Мультимодальная сенсорная система охраны здоровья растений» ("Multimodal Plant Healthcare Flexible Sensor System"), исследователи из Университета Префектуры Осака (OPU) сообщили, что им удалось создать интегрированную мультимодальную гибкую сенсорную систему, включающую:
- Датчик влажности в отдельном помещении;
- Датчик влажности листьев;
- Оптический датчик;
- Датчик температуры.
Эта система может посредством подключения выявлять и сообщать о потенциальных проблемах со здоровьем растений. Примечательно, что состояние обезвоживания наглядно фиксируется в растении Пахира микрокарпа (Pachira macrocarpa) в течение длительного времени наблюдения (более 15 дней), основываясь на биоинтерфейсах «растение-машина» посредством влияния на процесс транспирации в растении.
Используя стопки из ZnIn2S4 (ZIS) двумерных наноструктур (nanosheets) в качестве базовой чувствительной среды, гибкий сенсор на основе ZIS-наноструктур может не только воспринимать момент появления света с быстрым откликом (~4 мс), но также отслеживать влажность с долгоиграющей стабильной производительностью. Поскольку ZIS-наноструктуры применяются в датчике влажности впервые, теоретические и практические исследования механизма измерения влажности были проведены максимально тщательно. Три основных абиотических стрессовых фактора (влажность, стресс и температура), которые управляют транспирацией в растениях измерены без возникновения перекрёстных помех в режиме реального времени.
Фото мультимодального гибкого устройства для охраны здоровья растения (слева) и схематическое изображение детализированных структур устройства с различными функциональными компонентами (справа) © Lu et al. ACS Nano (2020), DOI: 10.1021/acsnano.0c03757
«Большинство гибких датчиков ранее использовались в контексте наблюдения за состоянием здоровья человека или интерфейсов «человек-машина». Обозначенная концепция мультимодальной системы гибких датчиков для отслеживания состояния здоровья растений может открыть путь к «умному» сельскому хозяйству», – отметил профессор Дэ-Хен Ким (Dae-Hyeong Kim), эксперт в сфере soft electronics (электронные устройства на гибких и эластичных подложках).
Глава проекта, профессор Кинихару Такеи (Kuniharu Takei) резюмировал: «Рационально отобрав активные чувствительные материалы и электроды, мы получили стабильную производительность датчиков для долговременного отслеживания абиотических стрессов растений, а также мультиканальных сигналов без перекрёстных помех».
Последующие задачи по развитию этого направления включают в себя:
- дальнейшее уменьшение толщины и веса системы гибких датчиков;
- увеличение функциональности датчиков как ответ на другие биотические и абиотические стрессы;
- улучшение возможностей по декодированию химических сигналов растений в пространственно-временных паттернах.
Влияние газов окружающей среды, таких, как CO2, O2, или NOx на результаты, выводимые датчиком, также актуально исследовать в будущих изысканиях.
Если вам близка тема интеллектуальной агротехнологии и агробиотехнологии по гребне волны современных научных достижений, обратите внимание на книгу «Жизненный цикл и экология растений: регуляция и управление средой обитания в агробиотехносистемах. Сборник научных трудов. Выпуск 1» под редакцией профессора В.Н. Зеленкова, которая выпущена в нашем издательстве в серии «Библиотека Института стратегий развития».
©РИЦ ТЕХНОСФЕРА При копировании обязательно указывайте ссылку на источник
Комментарии читателей
