出品：科普中國

　　作者：陳翔宇（中國科學院合肥物質科學研究院智能機械研究所）

　　監制：中國科普博覽

　　編者按：為展現智能科技動態，科普中國前沿科技項目推出“人工智能”系列文章，一窺人工智能前沿進展，回應種種關切與好奇。讓我們共同探究，迎接智能時代。

　　AI助農小助手名片

　　小助手：集成3D微電極的新型電容耦合非接觸電導檢測微流控芯片

　　三大法寶：低成本小芯片、便攜田間現場檢測箱、測齊氮磷鉀土壤養分

　　三大關鍵技術：耦合3D微電極體系的微流控芯片、電容耦合非接觸式電導檢測技術、微芯片土壤養分電泳分離技術

　　能量值：5顆星

　　證件照：

　　

 

　　（圖片來源：參考文獻1）

　　AI助農小助手自我介紹

　　很高興認識你，我是集成3D微電極的新型電容耦合非接觸電導檢測（C4D）微流控芯片，是中國科學院合肥物質科學研究院智能機械研究所這個大家庭的成員之一。

　　我能夠實現土壤氮、磷、鉀的快速、可靠、同步檢測。3D微電極構型被引入到C4D微流控芯片中，能夠提高我的靈敏度，可以在十幾分鐘內對土壤氮、磷、鉀養分進行現場定量分析，單次成本僅需幾元，從而為實現田塊級精準施肥奠定感知基礎，提高作物產量和品質，同時減少資源浪費和環境污染。

　　土壤養分測量為什么重要？

　　土壤養分是指由土壤提供的植物生長所必需的營養元素，包括大量元素如氮、磷、鉀，中量元素如鈣、鎂、硫，以及微量元素如鐵、錳、鋅、銅、硼、鉬等。這些養分存在于土壤的礦物質、有機質、土壤溶液和土壤空氣等不同的組分中，以各種化學形態和物理狀態存在。

土壤與植物

（圖片來源：veer圖庫）

　　充足且平衡的土壤養分供應能夠促進農作物根系的生長和發育，增強其對水分和養分的吸收能力，提高植株的抗逆性，從而保證農作物的正常生長和高產優質。

　　土壤養分還會受氣候、作物生長、施肥等諸多因素影響而發生變化。比如豐富的降水會導致土壤中的養分隨水流向下淋溶，尤其是氮、鉀等易溶性養分，可能會從表層土壤流失到深層土壤，甚至流失到地下水中，從而降低表層土壤的養分含量。在作物生長旺盛期，對氮、磷、鉀的需求較大，會大量消耗土壤中的這些養分。

施肥

（圖片來源：veer圖庫）

　　適量、適時地施肥可以補充土壤中被作物吸收消耗的養分，保持土壤養分的平衡。但如果施肥量過大，超過了作物的吸收能力，多余的養分就可能會在土壤中積累，造成面源污染。

　　因此，快速準確地了解土壤養分狀況，不僅有助于提升農業生產的經濟效益，也有助于可持續的農業發展。

　　為什么要用我檢測土壤養分？

　　傳統的土壤養分檢測方法存在諸多局限性。首先，這些方法往往耗時長，從樣品采集到實驗室分析，再到最終得出結果，可能需要數周甚至更長時間，無法及時為農業生產提供指導。其次，檢測成本較高，需要昂貴的儀器設備和大量的化學試劑。此外，操作過程復雜，對操作人員的技術要求較高，且容易受到外界環境因素的干擾，導致檢測結果的準確性和重復性受到影響。

　　與傳統檢測方法相比，使用我來檢測土壤養分，大幅減少了設備體積，提高了檢測的靈敏度，同時顯著縮短了檢測時間，使得現場即時檢測成為可能。同時，我具有成本低、操作簡便等優點，無需專業技術人員即可用我完成檢測，這些優勢使得我在農業精準管理方面具有重要意義。

　　我為什么可以這么厲害？這要歸功于我的核心部件——微流控芯片，它是一種在微米尺度空間對流體進行操控的技術平臺，它將生物、化學、醫學分析過程中的樣品制備、反應、分離、檢測等基本操作單元集成到一塊微小的芯片上。微流控芯片基于微流體力學原理，通過微通道、微泵、微閥等微結構來控制和操縱微小體積的流體。這些微結構可以精確地控制流體的流動速度、方向、混合程度等，從而實現各種復雜的化學和生物反應。

　　微流控芯片在現代分析科學中的應用也是非常廣泛的，比如可以用于環境監測中的污染物檢測、土壤養分檢測，還能快速檢測食品中的農藥殘留、重金屬等。它具有微型化、集成化、便攜性等多方面的優點。具體來說就是它的體積小，所需樣品和試劑少，降低了成本；其次它可以將多個操作單元集成在一塊芯片上，減少了操作步驟和人為誤差；同時便于攜帶，可實現現場檢測。

　　微流控芯片的發展可以追溯到20世紀80年代，隨著微加工技術的不斷進步，其逐漸從概念走向實際應用。早期主要應用于科研領域，近年來在臨床診斷、環境監測等實際應用中取得了顯著進展。

　　我的法寶

　　我身體內的微電極采用了3D環繞結構，3D微電極能夠提高檢測的靈敏度，解決了其他微流控芯片難以檢測土壤磷的難題。我也借助電泳將土壤樣品里復雜多樣的離子進行依次分離，再利用微電極的電導變化來檢測這些離子。

　　通過把3D微電極構型引入到C4D微流控中，有效提高檢測儀器靈敏度，還可以對土壤氮、磷、鉀養分進行現場定量分析，有效控制土壤施肥。

在農田里生長的玉米幼苗

（圖片來源：veer圖庫）

　　我有什么重要作用？

　　首先，我能幫助農民了解土壤的肥力狀況，從而制定合理的施肥方案，避免浪費肥料和資金。例如，如果檢測發現土壤中鉀元素含量充足，就可以減少鉀肥的施用量，節省成本。

　　其次，通過定期檢測，可以及時發現土壤養分的變化趨勢，采取相應的措施來維持土壤肥力。比如，連續多年種植同一種作物可能導致某些養分的過度消耗，檢測能提醒農民進行針對性地補充。

　　再者，使用我有助于保護環境。過量施肥會導致養分流失進入水體，造成水體富營養化等環境污染問題。準確檢測可以控制施肥量，減少對環境的負面影響，未來，田塊級的精準施肥為大幅降低肥料使用、提升作物產量提供新的可能。

機器人通過編程來噴灑化學藥品、化肥或提高效率、種種子、收割、縮短時間

（圖片來源：veer圖庫）

　　此外，我對于研究土壤生態系統和農業可持續發展也具有重要意義。通過長期的養分檢測數據，可以評估不同農業管理措施對土壤質量的影響，為制定可持續的農業發展策略提供依據。

　　小助手寄語

　　我通過集成先進的3D微電極和電容耦合非接觸電導檢測（C4D）技術，能夠在極短的時間內提供高精度的土壤營養信息，使農民能夠更及時地獲取土壤養分狀況，進行科學決策。

　　此外，我的低成本制造和批量生產能力，使我具備廣泛應用的潛力。無論是大型農場還是小規模家庭農場，都能夠負擔得起我的費用，有效降低農業生產成本，增加農民的收入。

　　在全球人口持續增長和氣候變化加劇的背景下，我為實現農業可持續發展提供了關鍵技術支持，農業領域的技術創新將為解決全球糧食安全問題提供新途徑。我們呼吁各級政府、科研機構、企業和社會各界共同關注和支持智慧農業科技創新的推廣與應用，通過政策引導、資金支持和市場推廣等多種方式，加速創新技術在農業生產中的轉化應用。

拖拉機噴大豆田

（圖片來源：veer圖庫)

　　參考文獻：

　　[1]Yan Hong, Le Wang, Jingming Su, Rujing Wang, Junqing Zhang, Yang Liu, Hongyan Guo, Mengya Li, Qinwen Lu, Yongjia Chang, Jiabao Zhang, Xiangyu Chen, A novel capacitively coupled contactless conductivity detection (C4D) microfluidic chip integrated 3D microelectrodes for on-site determination of soil nutrients, Computers and Electronics in Agriculture, Volume 219, 2024, 108829, ISSN 0168-1699

　　注：本項工作受到國家重點研發計劃項目和國家自然科學基金項目的支持

　　報道鏈接：https://cloud.kepuchina.cn/newSearch/imgText?id=7235757621085315072