技術已經滲透到生活中的每一個角落,是否也能幫助植物生長地更快、更有效率?美國愛荷華州立大學(Iowa State University;ISU)的研究人員給出了肯定的答案。他們開發出一種小型的石墨烯「植物紋身感測器」,可粘貼在玉米植株的葉子上,用於收集與植物生長有關的資訊,例如在根部澆水後輸送到葉片需要多長的時間,為農民和農業學家提供如何更有效率地用水培養作物所需的資訊。

為了製造高性能且具成本效率的感測器,愛荷華州立大學的研究團隊提出了一種透過3D列印或更傳統的塑模成型技術在聚合物塊上形成圓形小凹痕的製程,再用液體石墨烯填充凹痕並使其沉降。在石墨烯凝固成壓痕形狀後,工程師沿著這排壓痕放置一條膠帶,然後連同連接在粘性表面的石墨烯感測器一併拉出。感測器本身的厚度可能小到五百萬分之一公尺,這表示著它需要堆疊20個才能達到像人髮一樣的寬度。

20180202_plant_NT01P1 美國愛荷華州立大學的研究人員開發出「植物紋身感測器」,可即時、直接測量農作物用水量(來源:iastate.edu)

如圖中玉米作物所使用的感測器,就是由石墨烯氧化物製成的,這種材料在與水蒸氣接觸時會發生明顯的反應。美國農業部(USDA)以及「農業與食品研究方案」(AFRI)最近投入了近50萬美元的資金,資助進一步研究水份在玉米植物中的輸送速度,愛荷華州立大學的研究團隊成員也因此獲得補助,能進一步將這項用水感測器技術商業化。

愛荷華州立大學電子與電腦工程副教授Liang Dong說:「我們至今測試過的感測器中,最令人興奮的應用是植物感測器。將穿戴式電子感測器用於植物的概念是全新的。這種植物感測器非常小,因而能用於檢測植物的蒸散作用(transpiration;指水份從植物表面散失的現象),但並不會影響植物生長或作物生產。」Dong及其研究團隊相信還可以修改感測器,以檢測植物是否存在疾病,或測量其農藥化學滲透程度。

或許這種感測器也可用於一些較大的物件上進行採集過程。而相同的感測器能用於追蹤每一個橘子、酪梨或香蕉的溫度與濕度嗎?一旦擺上貨架,消費者可以使用智慧型手機確定這些植物的品質等級、原產地和其他資訊嗎?或許再過一些日子,銷售價格就會上漲。

然而,農業只是可以應用這種技術的領域之一。研究人員們在去年12月的《先進材料技術》(Advanced Materials Technologies)期刊上發表論文指出,感測器可用於多種目的,例如收集醫院病人的醫療診斷資訊或檢測建築物或橋樑的結構完整性。總有一天,可能只要有一個可以粘貼膠帶的表面,就能利用這項技術來監視任何物件,這樣的未來似乎不再遙遠。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Wearable sensors for plants measure water use in crops,by Warren Miller, contributing writer)