생체모방형 웨어러블 센서를 기반으로 하는 견고한 통합 식물 맥박 모니터링 시스템

Oct 23, 2023

npj 유연한 전자공학 6권, 기사 번호: 43(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

식물 웨어러블 센서는 식물 생리학적 정보를 지속적으로 측정할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 그러나 기존 식물 웨어러블 센서의 인터페이스 적응성이 부족하기 때문에 선모와 왁스가 있는 식물을 안정적이고 충실도 높게 모니터링하는 것은 어렵습니다. 여기에서는 적응형 와인딩 플랜트 덩굴손에서 영감을 받아 플랜트 펄스 모니터링을 위한 적응형 와인딩 스트레인(AWS) 센서를 기반으로 하는 통합 플랜트 웨어러블 시스템(IPWS)이 개발되었습니다. IPWS는 AWS 센서, 유연한 인쇄 회로, 스마트폰 APP 디스플레이 인터페이스 등 세 가지 모듈로 구성됩니다. 핵심 요소인 AWS 센서는 토마토 줄기를 적응적으로 감쌀 수 있습니다. 중요한 것은 구불구불한 패턴의 레이저 유도 그래핀을 사용하는 AWS 센서가 0.17/°C의 온도 저항 계수로 온도 간섭에 대한 탁월한 저항성을 나타냅니다. IPWS는 토마토 식물의 성장과 물 상태를 실시간으로 반영할 수 있는 식물 펄스를 안정적이고 충실도가 높게 모니터링하는 것으로 입증되었습니다.

성장 정보를 얻기 위한 침묵 식물과의 의사소통은 메커니즘 연구 및 작물 수확량 개선에 중요합니다1,2,3,4,5. 연구에 따르면 식물 성장 과정은 인간 맥박의 수축 및 확장과 유사하며, 이는 낮과 밤 동안 줄기의 수축 및 확장으로 구현됩니다6,7,8. 그리고 팽창을 반복하면 식물이 자라게 됩니다. 실제로 식물 맥박은 식물의 물 흡수 및 증산과 관련이 있습니다8,9,10. 낮 동안 잎의 기공이 대부분 열려 있고 잎에서 수분의 증산량이 뿌리의 수분 흡수량보다 클 때 줄기 직경은 거의 변하지 않거나 줄어듭니다. 밤에 잎의 기공이 닫히면 식물은 잎에서 증발하는 수분보다 뿌리에서 더 많은 수분을 흡수하여 줄기가 팽창하게 됩니다. 물이 부족하면 줄기가 눈에 띄게 수축됩니다. 따라서 식물 펄스를 모니터링하면 식물 성장과 물 공급 사이의 관계를 이해할 수 있습니다.

현재 플랜트 펄스 모니터링에 적용되는 센서는 주로 강성 선형 가변 변환기(LVDT) 센서입니다11. 부피가 크고 무거운 LVDT 센서는 고정하기 어렵고 식물을 미리 조이는 힘을 가지고 있습니다8. 이는 식물 파종의 성장이 과일 착과 및 수확량에 필수적이기 때문에 식물 묘목 모니터링에 적합하지 않습니다. 최근 식물에 착용할 수 있는 유연한 스트레인 센서는 식물 성장을 지속적으로 측정할 수 있는 엄청난 잠재력을 보였습니다. 최근 몇 년 동안 식물 성장 모니터링을 위한 여러 평면 변형 센서가 개발되었습니다2,3,4. 그러나 플랜트 펄스 모니터링을 위해 평면 변형률 센서를 적용하는 데는 여전히 몇 가지 과제가 남아 있습니다. 첫째, 식물 줄기의 촘촘한 선모와 왁스가 웨어러블 평면 센서의 고정에 영향을 미칩니다. 테이프로 식물에 묶인 센서는 식물의 성장에 도움이 되지 않으며 장기간 모니터링 중에 센서가 떨어질 수 있습니다. 또한 복잡한 환경은 센서의 안정성15에 위협이 됩니다. 실제로 식물 성장 환경은 빛, 습도 및 온도의 변화와 같이 복잡하고 변화가 많아 센서의 데이터 충실도가 손실될 수 있습니다16. 마지막으로 유선 데이터 수집 방식은 배선이 번거롭고 비용이 많이 드는 단점이 있습니다. 우리가 아는 한, 유연한 적응성과 탁월한 간섭 방지 성능을 갖춘 웨어러블 감지 시스템은 아직까지 식물 펄스 모니터링에 대해 보고된 바 없습니다. 따라서 식물 펄스를 모니터링하기 위해서는 유연한 적응성과 간섭 방지 성능, 무선 데이터 전송 기능을 갖춘 식물 웨어러블 센싱 시스템의 개발이 필요합니다.

여기서는 식물 펄스의 무선 모니터링을 위한 적응형 권선 변형(AWS) 센서를 기반으로 하는 통합 식물 웨어러블 시스템(IPWS)이 개발되었습니다(그림 1a). IPWS는 AWS 센서, 유연한 인쇄 회로, 스마트폰 APP 디스플레이 인터페이스 등 세 가지 모듈로 구성됩니다. 핵심 요소인 AWS 센서는 풀이나 접착제 없이 토마토 줄기를 적응적으로 감쌀 수 있는 식물의 덩굴손에서 영감을 받아 설계되었습니다. 이 생체모방 덩굴손 구조는 직접적인 신축 변형을 곡률 효과로 변환하고 균열 균열로 인한 변형 결핍을 방지합니다. 또한 AWS 센서는 구불구불한 패턴 디자인을 통해 온도 간섭에 대한 저항성을 나타내므로 식물 펄스에 대한 장시간 및 간섭 방지 모니터링이 실현됩니다. 줄기의 팽창과 수축은 AWS 센서를 자극하여 저항 변화를 생성할 수 있으며, 이는 저항 변화 데이터를 스마트폰에 무선으로 전송하는 IPWS에 의해 기록될 수 있습니다. 결과는 IPWS 시스템이 식물 펄스를 정확하게 모니터링하여 토마토 식물의 성장과 수분 상태를 진단할 수 있음을 보여줍니다.