可穿戴电生理微针传感器、制造方法和植物逆境胁迫早期识别方法

本发明属于植物电生理信号监测技术，具体涉及一种可穿戴电生理微针传感器、制造方法和植物逆境胁迫早期识别方法。

背景技术：

1、当植物受到逆境胁迫时，其会感知并传递有关胁迫的信息以诱导系统的适应性反应。胁迫信息在传递过程中被转换成各种信号(力、电和化学信号)来帮助植物协调整个机体的发育或防御过程。其中，植物电生理信号是快速长距离信号通路和植物生理的重要指标，调控根伸长、光合作用、逆境反应和病原体防御等生理活动。通过了解不同作物品种在电信号产生和传导方面的差异，可以为作物育种提供重要信息，有助于培育更适应特定环境的新品种。此外，研究植物电生理信号的产生和传导机制有助于揭示植物在应对逆境胁迫、调节生长发育等方面的内在机理，为优化作物生产提供更多方法和策略。因此，植物电生理研究不仅为作物育种和培育提供科学依据，还有助于农业工作者提前预防植物疾病等，为农业生产提供更多技术支持，从而提高农业生产效率和质量，并最终促进农业可持续发展。

2、目前，植物电生理信号监测方法可分为非侵入性和侵入性两大类。非侵入性方法，例如凝胶电极和微电极阵列，可以实现植物表面电信号的测量。然而，这种方法的有效性受到植物角质层屏障的限制，由于其绝缘特性，植物角质层屏障可能会屏蔽电信号变化影响信号的保真度。侵入性方法，例如膜片钳技术被广泛用于研究离子通道，但仅限于体外研究，并且通量检测能力低。固体电极，例如标准ag/agcl电极或其他无机金属电极，通常用于植物电生理信号监测，但与植物组织难以长期稳定接触。此外，由于植物电信号数据量大、数据复杂，缺乏专门的大规模分析模型，阻碍了信号解码和生理功能关联。而揭示植物电信号的动态变化规律，是理解植物电生理信号传导机制和胁迫防御机理的关键步骤。因此，有必要开发一种高保真信号获取、长期稳定的可穿戴电生理微针传感器来监测和识别植物早期逆境胁迫。

技术实现思路

1、针对当前植物电生理信号原位监测存在信号保真度低、难以长期稳定监测、无数据分析模型的问题，本发明提出了一种可穿戴电生理微针传感器、制造方法和植物逆境胁迫早期识别方法。相比于传统的凝胶电极，本发明的传感器能够可获取高保真的植物胁迫下的电生理信号，同时基于获取的电生理信号借助机器学习模型能够以高准确率识别植物早期逆境胁迫。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、(一)可穿戴电生理微针传感器

4、所述可穿戴电生理微针传感器包括凝胶衬底和若干个微针模块；所述微针模块铺设于凝胶衬底的表面且与凝胶衬底相连。当微针模块的数量大于一个时，所述微针模块在凝胶衬底的表面间隔均匀排布；所述微针模块包括微针阵列、粘合层、导电层和银丝；所述微针阵列设于凝胶衬底上且与凝胶衬底相连，所述微针阵列的上方包覆有粘合层，所述粘合层的上方包覆有导电层，所述微针阵列上粘接有银丝，所述银丝与导电层电连接；所述微针阵列包括微针基底和至少一个微针针体，当微针针体的数量大于一个时，所述微针针体阵列排布于微针基底上，所述微针针体的导电层上方沉积有铂黑。

5、作为本发明一种可选的实施方案，所述可穿戴电生理微针传感器包括八个微针模块，八个微针模块以2×4的矩阵形式间隔排布于凝胶衬底的上表面；在每个微针模块中，所述微针基底的上表面布置有四个微针针体，四个微针针体以正方形矩阵的形式间隔均匀布置；所述微针基底上垂直开设有通孔，所述通孔内穿设有银丝，所述银丝通过导电胶与所述微针基底粘接，所述银丝分别与所述导电层、外部的电生理数据采集设备电连接。

6、具体地，所述微针针体为圆锥状针体，微针针体的高度与底端直径之间的比值为2～3：1。

7、具体地，所述粘合层为铬层，所述导电层为金层，所述粘合层和导电层均通过磁控溅射技术形成。

8、具体地，所述微针阵列由聚甲基丙烯酸甲酯材料通过数控机床加工技术一体化制造而成。

9、具体地，通过拧绞的方式将所有微针模块上的银丝结合，形成一个统一的电信号输出路径。

10、(二)可穿戴电生理微针传感器的制造方法

11、所述制造方法包括以下步骤：

12、s1)使用数控机床加工技术加工聚甲基丙烯酸甲酯材料，获得至少一个微针阵列。

13、s2)使用磁控溅射技术在每个微针阵列的表面依次沉积生成粘合层和导电层，得到至少一个初加工微针模块；

14、所述步骤s2)中的磁控溅射条件具体为：磁控溅射功率为50～500w，腔室真空度为0～2mtorr，样品旋转速度为50～200rpm。

15、s3)向预先制造的凝胶衬底模具中充满丙烯酸脂前体溶液后，将所有初加工微针模块间隔放置于丙烯酸脂前体溶液上方，紫外固化后，得到初加工微针传感器；

16、所述步骤s3)中的紫外固化过程具体为：使用紫外固化灯照射凝胶衬底模具中的丙烯酸酯前体溶液；紫外固化灯的紫外光波长为365～380nm，照射时间为30～50s。所述的丙烯酸酯可以为环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯中的至少一种。

17、s4)使用导电胶在步骤s3)得到的初加工微针传感器的每个初加工微针模块中的微针基底上粘连银丝并加热固化，使得初加工微针传感器的每个初加工微针模块中，微针基底的导电层与自身对应的银丝电连接；

18、随后将初加工微针传感器的所有初加工微针模块上的微针针体浸没在电沉积溶液中，通过计时电流法在微针针体表面进行沉积处理后吹干，使得所有微针针体表面的导电层上方沉积铂黑，获得可穿戴电生理微针传感器。所述步骤s4)包括以下步骤：

19、s4.1)使用环氧导电胶在初加工微针传感器的每个初加工微针模块中的微针基底上粘连至少一根银丝后，在60～80℃的环境温度下加热固化2h，使得每个初加工微针模块中的微针基底上均对应粘连有至少一根银丝；

20、s4.2)将初加工微针传感器的所有初加工微针模块上的微针针体浸没在电沉积溶液中，以微针针体作为工作电极，铂丝电极作为对电极，银/氯化银电极作为参比电极，通过计时电流法在微针针体表面沉积形成铂黑，用惰性气体吹干后，获得可穿戴电生理微针传感器；

21、所述电沉积溶液为氢氯铂酸和醋酸铅的混合溶液，所述电沉积溶液中，氢氯铂酸与醋酸铅的浓度比为100：1；所述沉积过程的条件具体为：工作恒电压为-0.1v，采样间隔为0.1s，工作时长为60s，灵敏度为10-3a/v。

22、(三)可穿戴电生理微针传感器的应用

23、所述可穿戴电生理微针传感器用于植物逆境胁迫的识别，尤其是早期识别。

24、(四)基于可穿戴电生理微针传感器的植物逆境胁迫早期识别方法

25、所述植物逆境胁迫早期识别方法包括以下步骤：

26、首先，在植物的茎上贴附可所述穿戴电生理微针传感器，将可穿戴电生理微针传感器中的银丝与电生理数据采集设备的输入端电连接，将电生理数据采集设备的输出端与上位机连接；

27、接着，使用可穿戴电生理微针传感器实时连续采集植物的电生理信号并将采集到的电生理信号经电生理数据采集设备传输至上位机，汇总植物在预设监测周期内的电信号，形成原始时间序列数据；

28、最后，对原始时间序列数据进行分批平均处理后，得到分批平均处理后的时间序列数据；采用静态窗口划分方法对分批平均处理后的时间序列数据进行划分处理，生成多个时间序列片段，从每个时间序列片段中提取时域特征和频域特征，得到每个时间序列片段的特征数据，汇总所有时间序列片段的特征数据后得到输入特征；将输入特征输入到预先训练好的植物逆境胁迫识别模型中，植物逆境胁迫识别模型对输入特征进行处理后，输出植物逆境胁迫识别结果，所述植物逆境胁迫识别结果为植物逆境胁迫类型。

29、其中，所述预设监测周期的范围为3～7天。

30、其中，所述时域特征包括平均值、标准差、最大值、最小值、中位数、25％分位数、75％分位数、峰峰值、波形因子、峰值因子和脉冲因子；所述频域特征包括功率谱熵、重心频率、均方频率、频率方差和频率标准差。

31、其中，所述植物逆境胁迫类型包括干旱胁迫、盐碱胁迫、营养缺乏等长期逆境胁迫类型，当植物受到以上几种长期胁迫时，植物短期内不会出现明显的肉眼可观察的症状，而植物电信号在植物体内传播速度快，能够迅速反映植物对环境胁迫的反应，提供及时的信息。因此，通过机器学习处理电信号可以快速识别植物逆境胁迫。

32、具体而言，植物遭受如轻度干旱胁迫、盐碱胁迫或营养不足等长期胁迫，在3～7天内会出现植物电信号的变化，并且大约在7～10天后开始出现发黄的叶片等肉眼可观察的症状。因此，本发明通过对近3～7天内的植物生理电信号进行识别，可以实现植物逆境胁迫早期识别。

33、所述植物逆境胁迫识别模型的训练过程包括以下步骤：

34、d1)将若干株植物分为n+1组后，在正常的培养条件下培养任意一组植物，在n种不同的胁迫培养条件下分别培养其余的n组植物；

35、使用可穿戴电生理微针传感器对每株植物进行7天的连续监测，得到各株植物的原始电信号时间序列数据，将每株植物的胁迫培养条件所对应的胁迫作为自身对应的标签，将每株植物的原始电信号时间序列数据与自身对应的标签配对后，得到自身对应的样本对，接着汇总所有植物对应的样本对，得到原始数据集；

36、d2)从每株植物对应的样本对中的原始电信号时间序列数据中提取输入特征，将输入特征与自身对应的样本对中的标签重新配对，得到自身对应的特征样本对；接着，汇总所有植物对应的特征样本对后得到特征数据集；

37、从原始电信号时间序列数据中提取输入特征的过程具体为：对原始电信号时间序列数据进行分批平均处理后，得到分批平均处理后的时间序列数据；采用静态窗口划分方法对分批平均处理后的时间序列数据进行划分处理，生成多个时间序列片段，从每个时间序列片段中提取时域特征和频域特征，得到每个时间序列片段的特征数据，汇总所有时间序列片段的特征数据，获得输入特征；

38、d3)基于极端梯度增强模型构建植物逆境胁迫识别模型，使用所述步骤d2)得到的特征数据集结合遗传算法对所述植物逆境胁迫识别模型的超参数进行优化，得到最优超参数，利用最优超参数配置植物逆境胁迫识别模型后得到训练好的植物逆境胁迫识别模型；所述超参数包括学习率、树的数量、最大树深度和正则化系数。

39、所述植物逆境胁迫早期识别方法还包括以下步骤：当相邻两个时刻下的电生理信号之间的幅值差大于预设阈值时，输出植物逆境胁迫识别结果，所述植物逆境胁迫识别结果为植物受到瞬时胁迫。此步骤主要用于监测植物是否受到机械胁迫、虫子咬食、火焰灼烧等多种不同类型的瞬时胁迫。

40、本发明的微针传感器可以长期稳定固定在植物表面，可有效获取高保真的植物瞬时和长期胁迫下的电生理信号，同时基于获取的电生理信号借助机器学习模型能够以高准确率识别植物胁迫。

41、本发明的有益效果为：

42、1、本发明中微针传感器能够突破角质层获取植物体内的电生理信号，微针针体表面沉积的纳米材料可以加快电荷转移速率，降低电极-组织界面的电荷转移阻抗，从而提高监测到的信号质量。

43、2、本发明的微针传感器该微针传感器在瞬时胁迫监测的过程中具有优异的电生理信号获取能力，在长期胁迫监测中具有长期稳定性。

44、3、本发明中基于微针传感器获取植物电生理信号的阶段性时间序列数据，结合机器学习模型构建并训练得到了植物逆境胁迫识别模型，该植物逆境胁迫识别模型在识别植物逆境胁迫，尤其是植物逆境早期胁迫的过程中，体现了优异的可靠性和准确率。通过精确识别和管理植物逆境胁迫，能够提高作物产量和质量，同时减少资源浪费和环境影响。