综述：面向可持续智慧农业的土壤健康具身智能：利用柔性土工织物传感器感知土壤

《GLOBAL CHALLENGES》：Embodied Intelligence for Soil Health toward Sustainable Smart Agriculture: Sensing the Soil with Flexible Geotextiles Sensors

　　

农业与物联网（IoT）技术的整合已将传统农业转变为数据驱动、自动化且高度交互的系统。这一演变的核心是监测土壤状况和环境参数（如水分、温度、酸碱度（pH）、养分和污染物）的传感器平台。柔性电子和智能功能材料的最新进展为开发适用于动态农业应用的自适应传感器系统创造了新的机遇。尽管取得了这些进展，但将土工织物用作土壤传感平台的研究仍未得到充分探索。本综述追溯了从传统刚性土壤传感器向柔性及潜在的土工织物基系统的转变过程，评估了它们在物联网（IoT）赋能型农业应用中的作用。虽然土壤传感器通常在不同的标题下进行讨论，但本综述将其整合在共同主题下，包括材料选择、制造方法、测试方法、能量管理策略和物联网（IoT）连接性。通过识别各种土壤传感器中的常见材料、设计原则和制造技术，本综述提出了一个支持多传感器集成的综合框架。将这种集成方法扩展到基于土工织物的结构，有望实现灵活、大面积且自适应的土壤传感平台，从而为下一代可持续和智能精准农业提供可能。

**1 引言**

尽管人工智能、数字化和数据驱动经济产生了变革性影响，但农业仍然是人类生存和社会稳定不可或缺的基础。农业生产力根本上依赖于土壤的化学、物理和生物肥力，这些因素调节着养分有效性、水分保持和生态系统功能。然而，人口快速增长、城市化加剧、水资源匮乏以及气候变化日益严重的影响，给农业系统带来了前所未有的压力，要求其在确保可持续性的同时提高生产力。传统的依赖经验和人工观察的耕作方法常常导致资源利用效率低下、生产质量下降和环境退化。因此，采用数据驱动方法已成为现代农业的关键需求，特别是通过采用物联网（IoT）技术，这些技术通过互连的传感器、通信网络和云平台实现实时监控、自动决策和远程管理，从而优化资源利用、提高生产力并减少环境影响。

精准农业和智慧农业应用的有效实施依赖于土壤传感器技术的发展。尽管已有高精度的土壤参数（如水分）测量方法，但传感器在连续测量、实时数据获取、大范围空间异质性监测和自动数据记录方面具有显著优势。然而，土壤传感器的性能很大程度上取决于与土壤的物理接触质量、传感器的材料与结构特性及其环境鲁棒性。

近年来，柔性电子和智能材料技术的进步带来了从刚性（固体）传感器向柔性传感器的转变。传感器周围形成的空气间隙和微裂缝会显著降低测量精度并限制其对环境变化的响应，而柔性传感器凭借其耐弯曲、扭转和折叠等机械变形的坚固结构，能够适应土壤的自然纹理，最大限度地减少空气间隙，从而显著提高测量精度、信号稳定性和现场耐久性。然而，实时的土壤内部传感器仍不成熟；因此，开发低成本、可靠且非侵入式的传感器仍然是推进精准农业的关键优先事项。

虽然柔性薄膜传感器有效地解决了土壤-传感器界面处的几何不兼容性（共形性），但其无孔且致密的结构会破坏离子迁移率、气体扩散、热传递和水力连续性，从而在传感器周围生成一个与土壤真实动态脱节的人造微环境，最终限制了数据的可靠性。为了克服这一技术瓶颈，土工织物——一个在农业监测系统中很大程度上未被探索的研究领域——代表了柔性土壤电子的下一步发展。

土工织物凭借其机织、非织造或针织聚合物纤维结构，能够在集成传感器的同时不干扰土壤自然的水力、热力和气体传输动力学。通过将导电材料直接集成到这些基质中，土工织物从被动的基材转变为主动的换能器。这种技术协同作用创造了一个高精度、可扩展的“智能纺织品”平台，能够在不破坏土壤自然流动和呼吸过程（透气性）的情况下，同时将水分、温度、pH和养分含量等关键参数转换为数字数据。

本研究概述了当前的土壤传感器技术，并旨在为开发基于土工织物的土壤传感平台建立一个结构化框架。本综述采用了一种遵循土壤传感技术演进的组织方式，从将土壤视为动态测量环境开始，进而讨论从刚性到柔性传感器架构及其在土壤基质中的部署。然后，结合传感模式和信号转导原理讨论土壤传感器的类型和工作机制。一个专门的部分聚焦于材料系统，包括基底、导电组件和功能材料。在此基础上，本综述引入土工织物作为透气和机械兼容的土壤传感系统的新兴基底。随后，本综述进一步审视了柔性传感器架构的制造策略和可扩展的制造方法。接着，讨论了土壤参数测量和数据分析方法，强调了信号解读、校准和系统级性能评估。最后，能量管理策略、无线通信技术和物联网（IoT）集成被视为自主、实时和分布式土壤传感网络的基本组成部分。

**2 土壤作为动态测量环境**

土壤是一个由生命和非生命成分相互作用形成的复杂自然系统，通常由四种主要成分组成：矿物质、有机质、水和空气。这些成分的比例会因气候、母质、植被、地形和时间等因素而变化，导致土壤性质在横向上和垂直方向上都存在异质性。这种空间和成分上的变异性进一步体现在土壤内生物活性的分布上，这种活性并非均匀分布，而是特别集中在根际——植物根部周围动态且狭窄的区域。由于这种高度的空间和时间异质性，传统的庞大监测系统面临着巨大挑战，因为它们缺乏捕捉局部梯度所需的空间分辨率，并且通常只能提供土壤真实化学状态的平均化、代表性不足的视图。此外，这种环境本身的特点，如水分、化学通量和微生物生长的持续波动，会促进腐蚀、生物污损和机械磨损等退化机制。因此，弥合微观生物过程与稳健的原位测量之间的差距，仍然是确保土壤传感器长期精度和可靠性的主要挑战。

**3 从刚性到柔性土壤传感器的转变**

土壤传感技术通常根据基底力学特性分为刚性平台和柔性平台。刚性传感器开发于机械上不变形的基底上，在运行期间保持固定几何形状。尽管柔性基底（如聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚酰亚胺（PI））因其共形性而展现出优势，但它们与导电材料（如碳纳米管（CNT）、石墨烯和导电聚合物（如聚(3,4-亚乙基二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）和聚苯胺（PANI）））的集成构建了一个设计范式，使传感器在机械适应土壤形变和复杂生物界面的同时保持电气功能。

**4 柔性传感器在土壤中的部署**

柔性传感器通常通过三种主要策略部署在土壤表面以下：（i）水平放置、（ii）垂直插入以及（iii）与圆柱形支撑结构（如管道或探针杆）集成。水平安装可在特定深度进行大面积监控，共面板电容（CPC）架构因其窄垂直感应足迹而适用于深度分辨水平剖面分析。垂直放置可在不同土壤深度获取多层数据，从而提取根区内的养分和水分动态剖面。第三种策略将传感元件与圆柱形支撑结构集成，这些结构既作为机械载体，也作为空间分布测量的通道。

**5 土壤传感器类型和工作机制**

农业应用中使用的土壤传感器根据其测量的参数进行分类，包括土壤水分、温度、pH、养分、电导率（EC）、气体、生物活动（昆虫/害虫）和污染物。土壤水分传感器通过利用介电或电学特性的变化测量体积含水量，主要方法包括时域反射法（TDR）和频域反射法（FDR）、电容式和电阻式传感器。土壤pH传感器通过测量传感器界面的氢离子（H⁺）活性来确定土壤酸碱性，包括传统玻璃电极和新兴的离子敏场效应晶体管（ISFET）和金属氧化物传感层。土壤温度传感器使用热敏电阻（如负温度系数（NTC）热敏电阻）、电阻温度检测器（RTD）和热电偶进行测量。土壤养分传感器旨在监测重要的宏量营养素（如硝酸根（NO₃^-）、钾离子（K⁺）和磷酸根（PO₄^3-），其中离子选择电极（ISE）是土壤应用中最成熟的技术之一。土壤气体传感器检测土壤排放的化合物（如二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）、氨气（NH₃）和氮氧化物（NO_x））。土壤EC传感器测量土壤导电能力，反映离子浓度和盐度。土壤昆虫/害虫传感器利用声学、振动或生化传感机制检测生物活动。土壤污染物传感器监测重金属（如铅（Pb²⁺）、镉（Cd²⁺）和汞（Hg²⁺））、农药和有机污染物。图2提供了文献中报道的代表性柔性土壤传感器示例。

**6 传感模式**

在土壤传感中，传感模式指的是环境信息被转换为可测量信号的底层物理、化学或生物转导机制。土壤传感技术通常分为电学、电化学、光学/光谱、生物和声学模式。其有效性取决于传感物理学、基底力学、界面耦合以及土壤诱导变形下的长期稳定性。

6.1 电学模式： 电阻式、电容式和化学电阻式传感器通过测量土壤电阻、电容或阻抗的变化来感应水分、离子浓度和温度，具有高兼容性但选择性有限。

6.2 电化学模式： 电位、安培、伏安和阻抗方法能够提供更高的化学特异性，用于监测pH、养分和重金属，但面临界面复杂性和长期稳定性挑战。

6.3 光学和光谱模式： 比色、荧光和光谱（近红外（NIR））传感器利用光-物质相互作用进行非接触或非侵入式测量，提供丰富的成分信息，但受环境变化和校准复杂性影响。

6.4 生物模式： 利用酶、抗体或微生物等生物识别元件实现高选择性检测，但环境脆弱性限制了长期部署，主要用于短期诊断。

6.5 声学模式： 通过机械波传播推断土壤属性，抗电化学干扰，但信号解读复杂，仍处于早期发展阶段。

6.6 柔性土壤传感的比较视角： 柔性平台中每种传感模式的有效性取决于传感物理学、材料选择和土壤-传感器界面力学的相互作用。综合跨模态设计是必要的。

**7 土壤传感器材料**

7.1 基底： 土壤传感器基底必须具有柔性、耐久性、抗化学和湿度影响，以及良好的表面材料相容性。常用基底包括聚酰亚胺（PI/Kapton）、PET、聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）和PDMS。基底选择取决于应用，例如Kapton因其高耐热性和化学稳定性而常用于离子选择电极和激光诱导石墨烯（LIG）传感器，而PET则因其低成本和易加工性而被广泛采用。

7.2 导电材料： 导电材料的选择直接影响信号质量。银（Ag）基材料（如Ag纳米粒子（AgNP）和Ag/AgCl油墨）因其高导电性和信号稳定性而占主导地位，用于电容式和参考电极系统。碳基材料（如碳油墨、石墨烯、LIG）因其优越的机械顺应性和应变容限而在电化学传感中越来越受欢迎，其研究表明了对成本降低和灵敏度提升的兴趣。金（Au）虽有高导电性但成本高，仅用于要求极高灵敏度的传感器。

7.3 功能材料： 功能材料决定了pH、养分和污染物传感器的选择性和灵敏度。光学比色指示剂（如茜素、溴甲酚绿（BCG）和溴甲酚紫（BCP））因其简单性而广泛使用，而纳米材料（如氧化锌（ZnO）纳米颗粒）和离子选择膜（ISMs）则在电化学传感中提供更高的灵敏度。养分传感器常用聚氯乙烯（PVC）基膜和离子载体（如无活菌素、三十二烷基甲基硝酸铵（TDMAN））实现高选择性。污染物传感器使用铋（Bi）膜、脱氧核糖核酸（DNA）适配体和纳米复合材料（如碳黑纳米颗粒-金纳米颗粒（CBNP-AuNPs））进行信号放大和选择性检测。

**8 土工织物作为新兴的土壤传感基底**

土工织物是设计用于过滤、排水和稳定等基本工程功能的技术纺织品结构，其多孔纤维结构可视为传统不可渗透柔性薄膜的替代品。它们具备高强度、耐穿刺、耐磨损、高效传质和良好环境耐久性等特性。尽管已有研究将光纤和纱线传感器集成到土工织物中用于岩土工程监测，但其作为通用土壤传感平台的研究仍处于初期阶段，需要针对环境效应（如紫外线（UV）辐射、湿度）研究保护策略。

**9 设计策略和制造方法**

柔性土壤传感器的制造方法包括油墨喷射打印、丝网印刷、滴铸、层压、蜡打印、激光直写、气溶胶喷射打印（AJP）和溅射。其中，油墨喷射打印和丝网印刷因其高可扩展性和基底兼容性而最为常用。每种方法在分辨率、可扩展性、成本、基底兼容性和后处理要求方面各有优缺点。然而，将这些方法应用于土工织物基底仍未得到充分研究，存在如油墨渗透、粘附力损失等问题。

**10 土壤参数测量和分析方法**

柔性土壤传感器的可靠测量不仅取决于材料和架构，还依赖于校准和验证。国际标准（如DIN ISO 10390、ISO 11465、DIN ISO 11265等）为定义目标参数、建立校准程序和解读传感器输出提供了分析基础。水分、pH、电导率、养分和污染物等传感器的分析评估应集成目标参数的标准定义、传感机制、校准路径以及柔性对传感器-土壤界面的影响这四个维度，使报告的性能指标具有分析意义。

**11 能量管理、无线通信技术和物联网（IoT）集成**

电源是传感器的重要元素。为了减少碳足迹，农业传感器通常首选无线连接，使用太阳能电池板、电池或能量采集（摩擦电、压电、热电等）解决方案。大多数传统的无线传感设备并不可持续，它们依赖电池且需频繁更换，导致了一种增加能耗的模式。