日本最新研發可即時觀測地底下生物動向「Fiber-RADGET」裝置 - 農業知識入口網

文章來源 : 農業科技決策資訊平台    2021-12-06

利用光纖高感技術觀測根部，應用於現場監測
　　由日本國立研究開發法人海洋研究開發機構(JAMSTEC)與農研機構(NARO)共同研發出一款可即時掌握地底下生物動向的觀測裝置「Fiber-RADGET」(Fiber-radicle gadget)。這項研發主要利用光纖感測技術（Fiber-Optic Sensing Technology）建立可即時掌握作物根部生長情況之方法。突破以往深不可測的地底下領域疆界，完全可即時觀測植物根部的生長情況、細微小生物活動，微生物複合構造形成等生物動向。目前這項研發成果正在專利申請中。
　　由於地球環境持續變動，糧食確保在環境壓力下，以積極開發抗逆境作物為解決方式之一。而對於植物抗逆境的作用來說，最具深遠影響是植物根部的水養分吸收。因此，近年來，植物根部改善成為各相關單位注目的研究焦點。然而，植物根部並無法浮在檯面上進行觀測與掌握，對於地底下的觀測方式至今更是困難重重。
　　對此，以「因應環境變動闡明植物抗逆境與基礎應用技術」作為研究議題的國立研究開發法人海洋研究開發機構(JAMSTEC)與農研機構「虛實整合系統（CPS）強化作物強韌性，實現糧食零風險計畫」相互合作，共同研究開發一款可即時掌握地底下生物動向的觀測裝置「Fiber-RADGET」(Fiber-radicle gadget)。【延伸閱讀】植物如何改變根系模式以競爭地下資源
研發歸納要點如下：

•  研發出以非破壞性，可輕鬆檢視地底下生物的微小運作裝置。
• 可即時觀測到過去難以檢視的地底下植物根系等生物動態。
• 利用高感度的光纖感測裝置獲取數據，利於虛實資訊系統整合與建置，進而為智慧農業所應用。

研究方法與未來展望：
　　在建立即時觀測根部生長的方法之時，研究團隊特別關注根部堅韌度，發現有時根部強勢的力道甚至會穿透混凝土。除此，也檢視根部對土壤施加的壓力來識別根系的大小和位置。發現當根部推動土壤之時，地面下也會隨之變化。因此，研發團隊，利用分布型光纖感測器（Distributed fiber sensors），測量變化情況，並從測量出數據反推根部生長。依據這項理論驗證下，闡明根部是可被觀測。研究團隊藉此進而研發了高感應度的光纖感測裝置，除可檢測出細根引起的微弱應力（stress）外，讓原本連光都無法滲透的領域，透過這裝置，可觀測到植物根部生長。
　　其研究結果，將此裝置加工成柔軟耐用的圓柱體(請參照圖1：裝置製作過程說明)，事先設置在看不見的範圍內，明確顯示可檢視出微小的動態（請參照圖２：電線檢測案例說明、圖3：根部觀測案例說明）。
　　期盼未來能此研發成果應用於農業根菜類或松露等地下作物生長判斷，同時也有助於掌握採收時間。此外，可依據這項裝置所獲取的地面下數據，提供虛實數位系統之整合與建置(請參照圖4說明)。除上述可達自動偵測與診斷外，在未來促進糧食更加穩定生產。

                    
圖1-可即時掌握地底下生物動向的可視化裝置「Fiber-RADGET」製作過程。將在軟氟樹脂薄膜(Fluororesin film)上裝置光纖感測器（展開後為光纖感測）以螺旋式組裝而成（組裝後/僅本體）安裝於地底下（組裝後/安裝於地底下時），利用X光電腦斷層掃描（X-Ray Computed Tomography，簡稱X-CT）確認實際上在地底下配置情況（組裝後，X光電腦斷層掃描圖）。

                   
圖2-利用「Fiber-RADGET」電線檢測案例。設備裝置地面下後，將直徑1mm電線直接插置，從中間往右50mm的地底下，與光纖反應產生的位置相吻合(如圖2左)。應證電線的粗細與介質的硬度是否改變，發現電線較粗的那一方，光纖應變數據也較高(如圖2右)。除此，發現介質越牢固，光纖反應值越高。故，介質的穩固性需要更大的應力（stress），光纖反應值則與應力成正比。

                   
圖3-利用「Fiber-RADGET」觀測根部生長。將螺旋狀的光纖感測裝置設置於地底下，在中間附近播種櫻桃蘿蔔種子(Raphanus sativus var. sativus)。利用X光電腦斷層掃描確認植物根部位置，並以紅色標註位置所在。結果發現根部生長至地面下50mm時較粗壯，同時也產生光纖反應。

                   
圖4-利用「Fiber-RADGET」建構虛實整合系統（CPS）。利用光纖信號傳輸到遠端，再利用伺服空間顯現出地底下狀態，未來目標實現自動遠端操作掌握作物生長情況。

資料來源

• 国立研究開発法人海洋研究開発機構