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内容概览
现有技术缺点
测量不准确：现有的监测设备刚性、笨重且不透明，与植物的机械和光学特性不匹配，可能导致测量不准确和对植物的潜在伤害。 时空分辨率低：现有的表型技术主要依赖于成像、机器人和无人机技术，在提供定制化、连续和高时空分辨率监测方面存在局限性。
有限的拉伸性和柔软性：现有的植物表皮电子设备由于有限的拉伸性和柔软性，在有效监测植物动态生长方面存在局限性。
缺乏光学透明性：现有传感器通常不具备足够的光学透明性，影响光合作用监测。
创新点
全有机透明植物电子皮肤：开发了一种全有机透明植物电子皮肤，通过在PDMS基底上微图案化PEDOT，实现了生物相容性、透明性、可拉伸性和顺应性。
高透射率：这种植物电子皮肤在可见光谱范围内具有超过85%的透射率，对植物在光学和机械上是不可见的。
微加工工艺：采用可扩展的微加工工艺，仅使用有机PEDOT作为导电元件和PDMS作为基底。
数字孪生界面：提出了一个数字孪生界面，以实时可视化植物表面环境，为植物表型提供直观生动的平台。
应用场景
应变和温度传感器：应用于Brassica rapa叶片，用于监测植物在正常和非生物应激条件下的应变和表面温度。
植物生理监测：长时间实时监测植物生长和表面温度，捕获白天/黑夜叶片生长节律及其表面温度变化。
精准育种：为新植物品种的精准育种提供实时生理信号监测，加速理想表型的产生。
农场管理：构建数字孪生植物监测系统，实现农民与农场之间的实时热状态可视化。
总结
作者展示了一种全有机透明植物电子皮肤，能够与植物紧密贴合，无创地监测其生理状态。这种电子皮肤在光学和机械上对植物不可见，具备生物相容性、透明性、可拉伸性和顺应性。它被配置为应变传感器和温度传感器，实现了长时间实时植物生长和表面温度的监测，揭示了植物生理信号的实际应用能力。此外，作者还提出了一个数字孪生界面，为植物表型提供了一个直观生动的平台。这项技术不仅适用于植物生长监测，还可以扩展应用于人体可穿戴和可植入设备。未来，嵌入式导电线圈有望实现无线通信，进一步提升其应用潜力。
文章名称：All-organic transparent plant e-skin for noninvasive phenotyping
期刊：Science Advances
文章DOI：10.1126/sciadv.adk7488
通讯作者：新加坡国立大学 Chengkuo Lee和Eunyoung Chae
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图文简介
3.1 植物电子皮肤的制备与特性研究
图1. 植物电子皮肤的制备和特性。(A) 示意图展示了在PDMS基底上制备带有PEDOT:PSS微图案的植物电子皮肤的制备过程。(B) 概念图展示了基于植物电子皮肤生成的感知信息，将植物在现实空间投射到虚拟空间中的数字孪生对应物。(C) PEDOT:PSS图案在PDMS基底上的特征尺寸的光学图像。(D)基于 PEDOT:PSS狮子图案在PDMS基底上的光学图像。比例尺，100 μm。(E) 基于PEDOT:PSS字符图案在PDMS基底上的光学图像。比例尺，50 μm。(F) PDMS薄膜上PEDOT:PSS图案的透射光谱。(G) 植物电子皮肤附着在表面粗糙度不同的叶片上的照片。(H) 植物电子皮肤附着在不同枯萎阶段的叶片上的照片。(I) 开发的植物电子皮肤与研究的植物传感器从五个方面的进行比较，包括透明、表皮、可拉伸、微图案化和生物相容性特性的对比图。
图2. 植物电子皮肤作为应变传感器和温度传感器的电气性能。(A) 应变传感器的示意图。(B) 应变传感器感知区域的放大结构。插图：PDMS基板上经过处理的PEDOT:PSS（p-PEDOT:PSS）图案的形态。比例尺，500μm。(C) 在不同施加应变下电子皮肤应变传感器的相对电阻变化。(D) 在不同应变水平下相对电阻变化的稳定性测试。(E) 应变传感器的长期稳定性测试。(F) 温度传感器的原理图。(G) PDMS基板上PEDOT:PSS图案的形态。比例尺，500μm。(H) 温度传感器的相对电阻变化和温度响应。
3.2 叶片生物相容性测试和监测
图3. 叶片生物相容性测试与监测。 (A) 植物电子皮肤与植物的生物相容性测试。(B) 照片显示将植物电子皮肤作为应变传感器附着在B. rapa叶片上。(C) 使用应变传感器在对B. rapa叶片进行3天内监测。(D) 照片显示将植物电子皮肤作为温度传感器附着在B. rapa叶片上。(E) 温度传感器在3天内监测B. rapa叶片表面温度的性能（第一天：灯光开启；接下来的2天：灯光开启/关闭，16小时/8小时）。
3.3 B. rapa植物在非生物应激下的生长和表面温度监测
图4. 在正常和非生物应激条件下进行的长期植物监测。（A）植物在理想条件（对照组）下培育的示意图。（B）植物在经历热和干旱等非生物应激的情况下培育的示意图（应激组）。（C）对照组叶片表面温度。（D）应激组叶片表面温度。（E）对照组B. rapa叶片的生长规律。（F）应激组B. rapa叶片的生长规律。（G）计算对照组叶片的电阻变化和伸长情况。（H）计算应激组叶片的电阻变化和伸长情况。
3.4 数字孪生植物在智能农业中
图5. 植物电子皮肤作为数字孪生植物监测界面的应用。 (A) 将实际空间中的植物投影到虚拟空间中的数字对应物的传感信号信息流。(B) 照片和屏幕截图展示实际空间中的植物及其在VR空间中对应的植物，并附有相应的温度信息。(C) 实际植物的照片和屏幕截图，其中一株典型植物接触到一个温暖物体，以及其VR对应物的相应反应。(D) 实际植物的照片和屏幕截图，其中一株典型植物接触到一个热物体，以及其VR对应物的相应反应。
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文献来源
Yang Y, He T, Ravindran P, Wen F, Krishnamurthy P, Wang L, Zhang Z, Kumar PP, Chae E, Lee C. All-organic transparent plant e-skin for noninvasive phenotyping. Sci Adv. 2024 Feb 16;10(7):eadk7488. doi: 10.1126/sciadv.adk7488. Epub 2024 Feb 16. PMID: 38363835; PMCID: PMC10871535.
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