Ingeniører laver bærbare sensorer til planter, muliggør målinger af vandforbrug i afgrøder

Iowa State University planteforsker Patrick Schnable beskrev hurtigt, hvordan han målte den tid, det tager for to slags majsplanter at flytte vand fra deres rødder, til deres nederste blade og derefter til deres øverste blade.

Dette var ikke teknisk, præcis, plakat snak. Dette var en forsker interesseret i at arbejde med nye, lavpris, let fremstillet, grafen-baseret, sensorer på bånd, der kan fastgøres til planter og kan levere nye former for data til forskere og landmænd.

"Med et værktøj som dette, vi kan begynde at avle planter, der er mere effektive til at bruge vand, " sagde han. "Det er spændende. Vi kunne ikke gøre dette før. Men, når vi kan måle noget, vi kan begynde at forstå det."

Værktøjet, der gør disse vandmålinger mulige, er en lille grafensensor, der kan tapes til planter - forskere har kaldt det en "plantetatoveringssensor." Grafen er et vidundermateriale. Det er en carbon honeycomb kun et atom tykt, den er fantastisk til at lede elektricitet og varme, og den er stærk og stabil. Grafen-på-tape-teknologien i denne undersøgelse er også blevet brugt til at producere bærbare belastnings- og tryksensorer, herunder sensorer indbygget i en "smart handske", der måler håndbevægelser.

Forskere beskriver de forskellige sensorer og den "enkle og alsidige metode til mønstre og overførsel af grafen-baserede nanomaterialer" for at skabe de fleksible sensorer i et papir på forsiden af ​​december 2017-udgaven af ​​tidsskriftet Avancerede materialeteknologier .

Forskningen er primært blevet støttet af Faculty Scholars Program fra Iowa State's Plant Sciences Institute.

Liang Dong, en lektor i Iowa State i elektro- og computerteknik, er hovedforfatter af papiret og udvikler af teknologien. Seval Oren, en ph.d.-studerende i elektro- og computerteknik, er en medforfatter, der har været med til at udvikle sensor-fremstillingsteknologien. Medforfattere, der hjalp med at teste anvendelser af sensorerne, er Schnable, direktør for Iowa State's Plant Sciences Institute, en Charles F. Curtiss fremtrædende professor i landbrug og biovidenskab, Iowa Corn Promotion Board endowed Chair in Genetics og Baker Scholar of Agricultural Entrepreneurship; og Halil Ceylan, professor i civil, byggeri og miljøteknik.

"Vi forsøger at lave sensorer, der er billigere og stadig højtydende, " sagde Dong.

At gøre det, forskerne har udviklet en proces til fremstilling af indviklede grafenmønstre på tape. Dong sagde, at det første trin er at skabe indrykkede mønstre på overfladen af ​​en polymerblok, enten med en støbeproces eller med 3-D print. Ingeniører anvender en flydende grafenopløsning på blokken, udfylde de indrykkede mønstre. De bruger tape til at fjerne overskydende grafen. Så tager de endnu en strimmel tape for at fjerne grafenmønstrene, skabe en sensor på båndet.

Processen kan producere præcise mønstre så små som 5 milliontedele meter brede - kun en tyvendedel af diameteren af ​​det gennemsnitlige menneskehår. Dong sagde, at det at gøre mønstrene så små øger sensorernes følsomhed.

(Processen, for eksempel, producerede et detaljeret billede af Iowa State's Cyclone-maskot, der var mindre end 2 millimeter på tværs. "Jeg tror, ​​det her nok er den mindste cyklon, " sagde Dong.)

"Denne fremstillingsproces er meget enkel, " sagde Dong. "Du bruger bare tape til at fremstille disse sensorer. Prisen er kun øre."

I tilfælde af planteundersøgelser, sensorerne er lavet med grafenoxid, et materiale, der er meget følsomt over for vanddamp. Tilstedeværelsen af ​​vanddamp ændrer materialets ledningsevne, og det kan kvantificeres for nøjagtigt at måle transpiration (frigivelsen af ​​vanddamp) fra et blad.

Plantesensorerne er blevet testet med succes i laboratorie- og pilotfelteksperimenter, sagde Dong.

Et nyt tre år, $472, 363-bevilling fra det amerikanske landbrugsministeriums Agriculture and Food Research Initiative vil støtte flere felttest af vandtransport i majsplanter. Michael Castellano, en Iowa State lektor i agronomi og William T. Frankenberger professor i jordbundsvidenskab, vil lede projektet. Medefterforskere omfatter Dong og Schnable.

Iowa State University Research Foundation har ansøgt om patent på sensorteknologien. Forskningsfonden har også givet en mulighed for at kommercialisere teknologien til EnGeniousAg - en Ames startup-virksomhed, der er medstiftet af Dong, Schnable, Castellano og James Schnable, en assisterende professor i agronomi og havebrug ved University of Nebraska-Lincoln, en samarbejdspartner på et andet sensorprojekt i Iowa State, der udløste etableringen af ​​virksomheden (og Patrick Schnables søn).

"Den mest spændende anvendelse af de tape-baserede sensorer, vi har testet indtil videre, er plantesensoren, "Dong sagde. "Konceptet med bærbare elektroniske sensorer til planter er helt nyt. Og plantesensorerne er så små, at de kan registrere transpiration fra planter, men de vil ikke påvirke plantevækst eller afgrødeproduktion."

Men det er ikke alt, sensorerne kan. Teknologien kunne "åbne en ny rute" til en bred vifte af applikationer, forfatterne skrev i deres papir, herunder sensorer til biomedicinsk diagnostik, til kontrol af bygningers strukturelle integritet, til overvågning af miljøet og efter passende ændringer, til test af afgrøder for sygdomme eller pesticider.