《Biosensors and Bioelectronics》：Advances in Flexible Wearable Sensors for Real-Time Plant Health Monitoring: Emerging Technologies and Prospects
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本文综述了柔性可穿戴传感器在植物健康监测中的应用，涵盖材料设计与界面工程优化、多模态环境信号实时采集、生物标志物检测技术及系统稳定性挑战，为智能农业和生态监测提供理论基础。
胡晓雪|王志|陈思琪|周航宇|朱淼淼|熊然华|黄超波
国家森林食品资源开发利用重点实验室，先进生物医学材料联合实验室（南京林业大学-根特大学），江苏省森林资源高效加工与利用协同创新中心，南京210037，中国
摘要
植物对全球粮食安全和生态系统稳定性至关重要，它们对环境变化以及生物和非生物胁迫因素具有高度敏感性。因此，监测植物健康状况对于推进可持续农业和优化资源管理至关重要。然而，传统方法往往依赖于破坏性采样或间歇性测量，无法捕捉到动态的生理过程。最近开发的柔性可穿戴传感器能够实现实时、原位和非侵入性的关键植物生理参数监测，为植物表型分析和精准农业提供了新的机会。本综述总结了植物可穿戴传感器在材料设计和界面工程方面的最新进展，重点讨论了它们在建立生物-非生物界面以可靠获取信号方面的作用，以及其在监测植物生理信号和应激反应中的应用。最后，我们概述了与现场稳定性和数据整合相关的关键挑战，并将这些传感器视为促进可持续农业和保障生态系统健康的重要组成部分。
引言
全球人口增长、气候变化和害虫威胁的叠加加剧了粮食安全危机。这种情况不仅增加了对粮食的需求，还破坏了作物产量和植物健康，严重威胁到了农业生产力和生态系统稳定性（Deutsch等人，2018；Kumar等人，2022）。在这种背景下，植物健康成为了一个关键的监测参数，其生理信号能够提供关于环境压力的实时洞察。准确监测这些信号对于优化农业生产力和确保可持续的环境管理至关重要。尽管智能农业技术不断进步，但传统监测工具受到时空分辨率低和破坏性影响的限制，这限制了它们捕捉植物与其环境之间动态相互作用的能力。
柔性可穿戴传感器的出现为解决植物传感领域的未满足需求提供了变革性的解决方案。这些设备最初是为人类健康监测而开发的，但现在越来越多地被应用于生态和农业领域。与传统刚性传感器相比，柔性传感器具有更好的灵活性（Gao等人，2019）、透气性（Wang等人，2020）和可伸展性（Zhang等人，2024a），使它们能够紧密且持续地附着在植物复杂的动态表面上。结构上，植物可穿戴传感器通常由提供机械支撑和生物相容性的柔性基底以及负责信号转换的功能性传感层组成（Abdolhosseinzadeh等人，2020；Lin等人，2024；Liu等人，2025）。此外，表面功能化策略，如酶识别层或催化金属氧化物纳米结构，被用来提高对目标分析物的特异性，并在植物组织或叶面的复杂化学环境中增加灵敏度。这种生物界面工程对于确保可靠的传感性能至关重要。
近年来，在植物传感用柔性可穿戴传感器的开发方面取得了显著进展，实现了关键环境和生理信号的多模式检测（图1）。这些能力为了解植物生长调节、应激适应机制和整体健康状况提供了关键见解（Knuth等人，2024；Jiang等人，2025；Yin等人，2021）。此外，将柔性传感器与无线通信模块（例如NFC和蓝牙低功耗）集成，促进了远程、可扩展的植物监测系统的发展，从而为“植物物联网（Plant-IoT）”和数据驱动的精准农业奠定了基础。尽管取得了显著进展，但传感器在农业中的长期可靠性仍然是一个挑战，特别是在材料生物相容性、可持续性和在恶劣环境条件下的性能稳定性方面（Deng等人，2021）。虽然现有的综述讨论了植物可穿戴传感器的技术路径，但大多数主要关注应用方面，未能充分讨论柔性传感材料的设计或界面稳定性（Kim等人，2025；Li等人，2024b；Xu等人，2024）。为了填补这一空白，本综述系统地总结了材料选择和界面工程的最新进展，重点关注与材料设计和长期界面稳定性相关的关键挑战，旨在为开发更稳定和可靠的植物可穿戴系统提供基础框架。
本综述概述了用于植物健康监测的柔性可穿戴传感器（图2），涵盖了它们的材料、制造过程和应用。它讨论了导电材料（包括导电聚合物、碳基材料和金属纳米材料）与柔性基底结合的使用，以确保高导电性和机械灵活性。综述强调了这些传感器在监测植物表皮界面和内部生化标志物方面的应用，增进了对植物生长和应激反应的理解。最后，综述讨论了当前的挑战，并概述了有前景的未来研究方向，目标是加速开发可靠、可在现场部署的传感平台，这些平台将在推进可持续和精准农业方面发挥关键作用。
章节摘录
柔性传感器的材料与机制
植物健康监测用柔性可穿戴传感器的性能和长期稳定性取决于柔性基底和导电层的协同优化。柔性基底作为支撑平台，提供必要的机械顺应性，以确保电极能够无损伤地贴合植物器官的复杂表面并适应其生长。同时，导电材料对于传感至关重要
植物-环境界面的实时监测
植物表面作为作物与环境之间的主要界面，携带丰富的多维信号：调节光合作用和蒸腾作用的微气候（温度、光照、湿度）；反映细胞膨压和组织发育的变形和生长；电信号反映了植物的生理状态和应激反应。使用可穿戴传感器对这些信号进行实时、原位连续监测，可以实现环境的早期检测
植物应激生物标志物的实时体内监测
植物通过复杂的生理和生化信号网络响应环境压力，这体现在各种生物标志物的动态变化中，包括挥发性有机化合物（VOCs）、代谢物、活性氧（ROS）、植物激素和无机离子。对这些标志物的实时、原位监测对于理解植物在不同环境压力下的适应机制至关重要。对于气体生物标志物，实时VOC指纹分析可以讨论与展望
作为一项新兴技术，柔性可穿戴传感器在植物健康监测方面具有巨大潜力。这些设备通过其高灵活性、透气性和可伸展性与植物组织创建适应性界面，实现表面和内部信号的实时监测。虽然功能材料的进步提高了灵敏度，但将实验室原型转化为大规模现场应用仍然具有挑战性，主要是由于
作者贡献声明
陈思琪：可视化。 周航宇：可视化。 胡晓雪：撰写——初稿。 王志：撰写——审稿与编辑。 黄超波：研究。 朱淼淼：监督。 熊然华：研究
未引用的参考文献
Bai等人，2025；Cosgrove，2024；Jia等人；Yao等人，2025；Yue等人，2024；Zheng等人，2023；Zhu等人，2024。
生成式AI使用声明
在准备本工作时，作者使用了Chat GPT来润色语言。使用该工具后，作者根据需要对内容进行了审阅和编辑，并对出版物的内容负全责。
利益冲突声明
? 作者声明没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（52473036、52203059、22275094、22275093）、江苏省基础研究计划（BK20251884）和中国博士后科学基金（2025M780085）的财政支持。
