给植物戴上“智能手环”！柔性可穿戴传感如何颠覆智慧农业

一、综述背景

随着全球人口持续快速增长，粮食安全压力日益加剧，提升农作物产量、实现精细化种植、保护生态环境已经成为现代农业发展的核心需求。而要做到真正的精准农业，第一步就必须实现对植物生长状态、生理信息、周边环境的实时、无损、长期、原位监测。

但长期以来，传统植物监测手段存在诸多难以解决的痛点：人工观测效率低、主观性强、无法连续记录；光学成像设备依赖光照、算法复杂、难以在野外长期工作；化学检测方法大多需要离体取样，属于有损检测，会破坏植物组织；传统刚性传感器体积大、贴合性差，会影响植物正常生长，无法实现长期穿戴式监测。

在此背景下，可穿戴柔性传感器应运而生。它可以像“创可贴”一样贴在叶片、茎秆、果实表面，不影响植物光合作用与生长，同时将生长形变、水分状态、温湿度、气体、激素、胁迫信号等转化为电信号，实现全天候无感监测。结合物联网、大数据与人工智能技术，可穿戴传感器能够实现远程监控、智能决策、精准灌溉与病虫害早期预警。

然而，目前植物可穿戴传感领域仍面临一系列关键瓶颈：长期工作稳定性不足、田间环境干扰抑制能力弱、多传感器协同优化困难、制造成本偏高、缺乏统一的数据标准、跨作物泛化性差等。同时，现有综述大多只关注器件类型与传感机制，缺少对实际田间应用、规模化落地成本、不同作物适配性的系统分析。

因此，这篇综述论文，全面系统梳理了植物可穿戴柔性传感技术的最新进展，明确技术路线、应用场景、核心挑战与未来方向，为该领域科研人员、农业工程师与产业从业者提供了完整的参考框架。

图1：按结构与应用对植物可穿戴传感器进行分类，明确指出60% 现有设备只能监测单参数，是目前最大技术缺口；

二、综述要点

这篇综述围绕植物可穿戴柔性传感器展开，从传感原理、器件分类、性能对比、应用场景、田间挑战五大维度进行了系统性总结。

1. 三大核心传感技术体系

（1）光学类可穿戴传感器

光学传感器主要解决传统电学传感器信号不稳定、灵敏度不足、迟滞误差大的问题，具备非接触、无损、抗电磁干扰、特异性强等优势。

主要包括四类：

红外传感器：通过反射与散射信号，监测茎秆/果实生长、叶片水分、植物胁迫状态，分辨率可达 0.5 mm；

拉曼传感器：提供植物“化学指纹”，可同时识别多种物质，用于氮营养、病虫害、化学胁迫检测；

荧光传感器：基于荧光淬灭/增强机制，超高灵敏度监测气孔活动、H?O?、重金属、紫外线胁迫；

光纤光栅 FBG 传感器：通过波长偏移测量形变、湿度、温度，可连续 72 小时以上监测果实与茎秆生长，生物兼容性好。

优点：精度高、无损、不干扰植物；

缺点：田间易受光照、叶片反射、背景散射干扰。

图2–5：展示光电传感、荧光传感、光纤 FBG 传感的工作原理，以及在叶片、果实上的原位安装方式；

（2）柔性电子传感器

柔性电子传感器是目前最接近实用化的路线，以可弯曲、可拉伸、易贴合、成本低为核心优势，能够完美贴附在植物表面。

主要分为三类：

电阻型应变传感器：以 CNT、石墨烯、液态金属、LIG 为敏感材料，监测茎秆脉动、果实膨大、生长速率，灵敏度可达亚纳米级，最长可稳定监测 9 天；

阻抗型传感器：通过阻抗变化监测汁液流动、水分含量、温度各向异性，可无创监测茎流，揭示植物昼夜水分规律；

多模态集成传感器：同时采集温度、湿度、光照、应变、气体等信号，比单参数传感器误差降低 30%，可连续工作超过 15 天。

优点：易制造、可大面积贴合、适合产业化；

缺点：长期野外工作易受风雨、紫外线老化影响，电极易开裂。

图6–8：呈现电阻式、阻抗式、多模态柔性传感器的结构设计，展示如何贴附在茎秆与叶片上；

（3）生化类可穿戴传感器

生化传感器直接监测植物体内或体表的化学物质与生物分子，是实现病害早期预警、胁迫精准识别的核心手段。

分为两类：

化学传感器：检测 VOC 挥发性有机物、NO?、甲醇、氨气、臭氧等，可提前 4 天预警番茄晚疫病，区分机械损伤与干旱胁迫；

生物传感器：基于特异性识别，检测水杨酸、农药残留、活性氧、离子浓度，检测限低至 nM 级，可用于精准农业与食品安全。

优点：可检测传统传感器无法监测的生化信息；

缺点：易受温湿度、气流、背景挥发物干扰，标定频繁。

图9–10：生化传感器工作流程，展示 VOC、激素、农药的检测机制；

 2. 五大核心应用场景

（1）植物生长监测

实时捕捉果实膨大速率、茎秆伸长、直径变化，最高分辨率达 50 nm/s，最长连续监测 9 天，不影响植物自然生长。

（2）微环境监测

贴附在叶片表面，精准感知植物“贴身”的温度、湿度、光照强度，反映真实微气候，指导灌溉与通风。

（3）水分传输监测

无创监测叶片含水量、茎秆汁液流速，揭示植物体内水分运输规律，是节水农业的关键技术支撑。

（4）胁迫响应早期监测

识别干旱、UV、臭氧、病虫害、机械损伤，通过 VOC、激素、阻抗变化提前预警，减少农药与减产损失。

（5）气体与环境安全监测

检测氨气挥发、有害气体、农药残留，用于农田生态监控、大棚环境管理与农产品安全溯源。

3. 实验室走向田间的核心挑战

综述明确指出，目前植物可穿戴传感器仍难以大规模落地，主要障碍包括：传感器–植物界面不稳定，易脱落、损伤叶片；田间光照、温湿度、风雨、气流造成信号漂移；制备工艺昂贵（激光直写、气相沉积），难以卷对卷量产；供能不足，自供电系统效率低，且易遮挡光合作用组织；数据标准不统一，AI 融合程度低，跨作物泛化能力差；长期生物兼容性不足，部分纳米材料存在潜在风险。

三、总结与展望

这篇文章是目前植物可穿戴柔性传感领域体系最完整、落地导向最强的综述之一。它首次同时覆盖：光学、柔性电子、生化三大技术路线；生长、环境、水分、胁迫、气体五大应用场景；实验室性能与田间实际挑战；成本、工艺、产业化、跨作物泛化等产业关键问题。

植物可穿戴柔性传感器已经实现了从单参数到多模态、从刚性到柔性、从有损到无损、从离线到实时的技术跨越，成为精准农业、植物表型、生态监测、智慧农场的革命性支撑技术。但要真正走向大规模田间应用，仍必须突破稳定性、抗干扰、低成本、自供能、数据标准化五大瓶颈。

未来，随着材料、算法、能源与制造技术的不断突破，贴在每一片叶子、每一株作物上的“智能穿戴”将走进田间地头，让农业更高效、更节水、更安全，真正实现科技赋能万物生长。

文献链接：Wearable and flexible sensor technologies for monitoring plant physiology and environmental conditions

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视频号：##柔性电子那些事