我們可能離利用技術確保高產、無病的作物更近了一步，這要歸功於一種多功能電子貼片的開發，它被植物”穿”在葉片上，實時監測病原體和環境壓力因素的存在。

植物病害每年導致約20%至40%的農作物損失，不僅導致糧食產量減少，而且導致物種多樣性減少，更不用說疾病控制的成本。據聯合國糧食及農業組織估計，2030年將有近6.7億人（佔世界人口的8%）營養不良。

智能農業，即利用創新技術提供有關水、土壤類型和疾病等重要因素的信息，作為確保全球糧食安全的一種手段已經獲得關注。

能夠提供實時、無創監測的植物穿戴式傳感器並不是一個新事物。但現有的傳感器能監測的範圍有限，靈敏度低，而且不能發現特定的疾病。

考慮到保持作物健康的重要性，北卡羅來納州立大學的研究人員開發了一種更先進的電子貼片，直接放在植物的葉子上，監測病原體感染和環境壓力。

這種貼片很小–只有1.2英寸（30毫米）長–由一種含有傳感器和銀納米線電極的柔性材料製成。它們被放置在植物的葉子下面，那裡有更多的氣孔，即讓植物”呼吸”的孔。這些貼片是早期版本的升級版，通過測量揮發性有機化合物來檢測植物疾病。

該研究的共同通訊作者朱勇說：”新的貼片集成了額外的傳感器，使它們能夠監測溫度、環境濕度以及植物通過其葉片’呼出’的水分數量。”

為了測試他們的新補丁，研究人員轉向了不起眼的西紅柿，這是消費最廣泛的農產品之一。茄科植物容易受到許多病原體的影響，包括真菌、病毒和細菌，這些病原體會大大降低作物產量和水果質量。

溫室中的番茄植株感染了三種病原體：番茄斑萎病毒（TSWV）；早疫病，一種真菌感染；以及晚疫病，由一種叫做卵菌的真菌類病原體引起。這些植物還被暴露在非生物（非生活）壓力下，如過度澆水、乾旱、缺乏光照和高鹽度。

這項研究的共同通訊作者魏青山說：”這很重要，因為種植者越早發現疾病或真菌感染，他們就越有能力限制疾病的傳播並保護他們的作物。此外，種植者越能快速識別非生物壓力，如被鹽水入侵污染的灌溉水，他們將能更好地應對相關挑戰並提高作物產量。”

在試驗了各種傳感器的組合後，研究人員使用機器學習模型分析了他們的數據，以確定何種組合能更有效地識別疾病和壓力。該模型證實，要做到最有效，至少需要三個傳感器。

“我們檢測所有這些挑戰的結果是全面的，”魏青山說。”例如，我們發現，在一個補丁上使用三個傳感器的組合，我們能夠在植物首次被感染後四天檢測到TSWV。這是一個重要的優勢，因為西紅柿通常在10到14天內不會顯現感染TSWV的任何症狀”。

研究人員說，他們接近於創造一個作物種植者可以使用的補丁。他們打算製作無線貼片，然後在溫室外的田間進行測試，以確保它們在真實世界的條件下發揮作用。

朱勇說：”我們目前正在尋找工業和農業合作夥伴，幫助我們推進這項技術的開發和測試。”這可能是一個重大的進步，幫助種植者防止小問題變成大問題，並幫助我們以一種有意義的方式解決糧食安全挑戰。”

這項研究發表在《科學進展》雜誌上。