Brevet FR3115882A1 — publié le 20220506

L’invention concerne un capteur environnemental comprenant des moyens d’acquisition des signaux électrophysiologiques générés par un végétal et des moyens de traitement de ces signaux. Lesdits moyens d’acquisition sont constitués une première électrode (5) en contact direct ou indirect avec le milieu de culture dudit végétal, et une deuxième électrode (3) en contact électrique avec la tige ou une feuille dudit végétal, lesdits moyens de traitements comportant un circuit d’échantillonnage (15) de la tension mesurée au borne desdites électrodes, à une fréquence comprise entre 10 et 500 Hz, un circuit de filtrage (25), et un calculateur (35) exécutant un code informatique de traitement du signal numérisé et filtré selon un modèle numérique pour extraire d’une séquence d’au moins deux variables correspondant à des variables environnementales comprenant la température (en degré), l’hygrométrie (en pourcentage), le taux de CO (en ppm), le taux CO 2 (en ppm) , l’éclairage ambiant (en lux), la vitesse du vent (m.s -2 ) , la direction du vent, le niveau d’irradiation solaire (en W.m -2 ) , le taux de précipitation (mm), et/ou la présence de parasites. Figure 1 Capteur environnemental Domaine de l’invention La présente invention concerne le domaine des biocapteurs végétaux exploitant les phénomènes électrophysiologiques des plantes. On a observé que les plantes génèrent des signaux électriques en réponse à des stimuli (pluies acides, irradiation, choc froid, stress osmotique, attaque d'agents pathogènes). Ces signaux résultent de flux d’ions à travers la membrane cellulaire conduisant à une dépolarisation transitoire. L’invention porte plus précisément sur un biocapteur fournissant des informations non pas sur l’état de la plante, mais sur des variables environnementales, par l’analyse et l’enregistrement des informations bioélectriques liées à un changement / processus physiologique dans un système végétal. État de la technique On connaît dans l’état de la technique l’article Volkov AG, Ranatunga DR. Plants as environmental biosensors. Plant Signal Behav. 2006;1(3):105-115. doi:10.4161/psb.1.3.3000 décrivant l’utilisation d’une plante verte entière comme biocapteur rapide pour surveiller les perturbations environnementales à proximité d'une plante vivante. Les potentiels électriques sont mesurés au niveau des tissus et de la plante à l'intérieur d'une cage de Faraday montée sur une table stabilisée aux vibrations. Un micro-ordinateur compatible IBM avec une carte d'acquisition de données plug-in multi-E / S NI 6052E DAQ (National Instruments) a été interfacé via un NI SC-2040 Simultaneous Sample and Hold (National Instruments). La carte d'acquisition de données multifonction NI 6052E offre une haute résolution et une large plage de gain et prend en charge l'acquisition de données continue et à haute vitesse. Des canaux uniques peuvent être échantillonnés à n'importe quel gain jusqu'à 333 k échantillons / s. Les données numérisées comprennent un décalage temporel négligeable (moins de 50 ns) entre les canaux. Les signaux de mesure ont été enregistrés sous forme de fichiers ASCII à l'aide du logiciel LabView (National Instruments). Des électrodes Ag / AgCl réversibles non polarisables ont été utilisées pour mesurer les signaux électriques. La température a été maintenue constante car ces électrodes sont sensibles à la température. Des électrodes Ag / AgCl ont été préparées à partir d'un fil d'argent revêtu de Téflon (AM Systems, Inc.). On connaît aussi le résumé d’un article non encore publié à la date de dépôt de la présente demande de brevet, dont le titre est « Réponse électrique des plantes aux stimuli environnementaux : bref examen et perspectives pour les applications météorologiques » Octobre 2020 Sensors International, Publisher : Elsevier. On connaît aussi l’article “Monitoring system for electrical signals in plants in the greenhouse and its applications” Author: Zhong-Yi Wang,Qiang Leng,Lan Huang,Long-Lian Zhao,Zhi-Long Xu,Rui-Feng Hou,Cheng Wang Publication: Biosystems Engineering Publisher: Elsevier exposant que les signaux électriques des plantes réagissent aux changements environnementaux dans les conditions naturelles de la serre et propose de fournir un outil stable à long terme pour mesurer et analyser les signaux électriques dans les plantes des serres. On connaît aussi le brevet chinois CN105511526 décrivant un appareil de détection de signaux électriques de plantes, utilisé pour explorer et rechercher les changements bioélectriques dans l'environnement de croissance des plantes. Il comprend une boîte expérimentale de croissance végétale, un appareil d'extraction de signal électrique végétal et un ordinateur de contrôle, dans lequel l'ordinateur de contrôle ajuste la température et l'humidité, l'intensité d'éclairage et les paramètres de concentration de dioxyde de carbone dans l'expérimentation de croissance végétale. Inconvénients de l’art antérieur Les solutions de l’art antérieur sont principalement destinées à fournir des informations sur la vie et l’évolution de la plante et non pas sur les caractéristiques environnementales. Les solutions proposées ne sont pas adaptées à une exploitation reproductible comme capteur environnemental. Solution apportée par l’invention Afin de remédier à ces inconvénients, l’invention concerne selon son acception la plus générale un capteur environnemental comprenant des moyens d’acquisition des signaux électrophysiologiques générés par un végétal et des moyens de traitement de ces signaux caractérisé en ce que lesdits moyens d’acquisition sont constitués d’une première électrode en contact direct ou indirect avec le milieu de culture dudit végétal, et d’une électrode en contact électrique avec la tige ou une feuille dudit végétal, lesdits moyens de traitements comportant un circuit d’échantillonnage de la tension mesurée aux bornes desdites électrodes, à une fréquence comprise entre 10 et 500 Hz, un circuit de filtrage, et calculateur exécutant un code informatique de traitement du signal numérisé et filtré selon un modèle numérique pour extraire d’une séquence d’au moins deux variables correspondant à des variables environnementales comprenant la température (en degré), l’hygrométrie (en pourcentage), le taux de CO (en ppm), le taux de CO 2 (en ppm) , l’éclairage ambiant (en lux), la vitesse du vent (m.s -2 ) , la direction du vent, le niveau d’irradiation solaire (en W.m -2 ) , le taux de précipitation (mm), et/ou la présence de parasites. Les variables environnementales calculées peuvent optionnellement comporter d’autres informations relatives à l’ambiance où est située la plante en question. Selon une variante préférée, lesdits modèles numériques sont constitués par une série de coefficients d’ajustements du signal. Avantageusement, l’installation comporte au moins une électrode implantée dans le sol et une pluralité d’électrodes répartis sur la plante. Selon une première variante, une partie des électrodes est constituée par un film adhésif hydrophile présentant une zone conductrice. Selon une autre variante, une partie des électrodes est constituée par une tige métallique apte à être enfoncé dans le sol. Selon une autre variante, une partie des électrodes est constituée par une tige métallique pointue apte à être enfoncé dans la tige ou le tronc d’une plante. Selon une autre variante, lesdits modèles numériques sont constitués par une série de coefficients d’ajustements du signal. Selon une autre variante, le capteur comporte au moins une électrode implantée dans le sol et une pluralité d’électrodes réparties sur la plante. Description détaillée d’un exemple non limitatif de réalisation La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, se référant aux dessins annexés correspondant à des exemples non limitatifs de réalisation où : La représente une vue schématique d’une installation selon l’invention la représente un schéma de principe du circuit électronique la représente une vue de la corrélation entre la tension mesurée et la température mesurée. la représente une vue des signaux mesurés selon deux axes. Description de l’installation La représente une vue schématique d’une installation selon l’invention. Elle est constituée par un boîtier électronique (1) dont la sortie comporte deux câbles (2, 4) pour la liaison avec des électrodes (3, 5) constituant une cathode et une anode, dont l’une est plantée dans une tige de la plante (10) et l’autre enfoncée sous terre (20). L’électrode (3) est par exemple formée par un fil en cuivre planté dans la tige de la plante, à un endroit de la tige où sa section est d’environ 1 mm, typiquement comprise entre 0,7 et 2 millimètres. Elle est placée dans l’exemple décrit à une hauteur d’environ 150 millimètre par rapport à la surface du sol (20). Il est par ailleurs opportun de disposer plusieurs électrodes sur la plante, à différentes orientations et/ou hauteur, pour mesurer la différence de potentiel avec le sol (20) à différents points de la plante. Le boîtier (1) contient un circuit électronique comprenant un premier étage (15) de numérisation du courant électrique sur les entrées (2, 4). Ce premier étage (15) transforme le signal d’entrée analogique en un signal numérique représentatif de la tension. La numérisation est faite avec une fréquence d’échantillonnage relativement faible de l’ordre de 70 Hertz par exemple. Ces données sont ensuite filtrées par un deuxième étage (25) éliminant les bruits de mesure et les artefacts. Les données ainsi traitées sont horodatées et enregistrées dans une mémoire (30). Un calculateur exécute un code de calcul appliquant à une séquence de signaux filtrés enregistrés sur une plage temporelle des modèles associés à chaque variable physique (45). Ces traitements sont appliqués sur des fenêtres glissantes temporelles des signaux prétraités pour appliquer des algorithmes d’extraction de plusieurs variables environnementales simultanément telles que : la température ambiante, l’humidité relative, le niveau de pollution, notamment la teneur en CO et CO 2 ou d’autres gaz toxiques. Les modèles sont élaborés soit de manière expérimentale, par ajustement successif pour obtenir une corrélation entre les données mesurées par des équipements métrologiques usuels et les données acquises par l’installation, ou par apprentissage supervisé à partir des données recueillies par l’installation et les valeurs qualifiées obtenues pendant les mêmes périodes avec des équipements métrologiques usuels. Un capteur (6) de mesure de température et d’humidité relative est positionné à proximité immédiate de la plante pour fournir des informations de référence permettant de fournir des informations directes, complémentaires de celles fournies par l’installation. Ces valeurs peuvent optionnellement faire l’objet d’un traitement additionnel portant sur l’ensemble des valeurs environnementales calculées, pour fournir une autre valeur numérique constituant un indicateur de confort perçu. Pour cela, les mesures des valeurs susvisées à partir de la plante sont ensuite injectées dans des modèles dédiés spécifiquement aux études de confort humain. Les modèles numériques sont constitués, pour chacune des variables environnementales, d’un coefficient de corrélation linéaire ou d’une matrice de corrélation prenant en compte la tension et une variable temporelle, par exemple à partir de séries de mesures horodatées sur une fenêtre temporelle glissante. La détermination du modèle numérique est réalisée de manière connue en sorte que l'erreur commise entre les données mesurées et les données de référence soit la plus petite possible. On détermine des couples de données constitués par la tension prétraitée acquise à un instant t donné, et la valeur de la variable environnementale mesurée avec un équipement de métrologie, au même instant t. Ces couples de données sont projetés sur un plan dont l’un des axes correspond à la tension mesurée et l’autre axe correspond à la valeur de la variable environnementale. Le critère formel le plus souvent utilisé, mais pas le seul possible, est de minimiser la somme de toutes les erreurs effectivement commises au carré. On parle alors d'ajustement selon la méthode des moindres carrés ordinaires. La droite résultant de cet ajustement s'appelle une droite de régression. Plus la qualité globale de représentation de la liaison entre les variables par cette droite est bonne, et plus le coefficient de corrélation linéaire associé l'est également. Résultats expérimentaux Les campagnes de recueil de signaux électrophysiologiques avec une installation conforme à l’invention ont permis de constater une corrélation linéaire entre la seule tension électrophysiologique mesurée à partir du signal recueilli sur les électrodes (3, 4) d’une part, et plusieurs variables environnementales constituées par la température de l’air d’une part et l’humidité relative de l’ambiance d’autre part. Le modèle numérique est dans ce cas associé à de simples coefficients d’ajustements linéaires, permettant de fournir les différentes variables environnementales à partir du signal de la plante qui permettrait de retrouver les valeurs de cette température et de cette humidité mesurée par le capteur (6) servant de référence. Ainsi, grâce à ces coefficients d’ajustement préalablement sélectionnés (par des méthodes de calibration de la plante comme on procède pour les capteurs classiques tels que le pyranomètre ou d’autres capteurs de flux solaire), on peut déterminer la température et l’humidité d’une ambiance à partir seulement de la connaissance des valeurs du signal de la plante en régime dynamique (au pas de temps de l’heure). Cette démarche peut également s’appliquer sur d’autres variables environnementales aussi bien atmosphériques qu’aquatiques ou même dans une ambiance intérieure donnée (espace bâti). La illustre la détermination du coefficient de corrélation pour la détermination de la température. Les points sont positionnés selon les axes des températures mesurées avec un thermomètre usuel et la tension mesurée par l’installation, et permet d’établir un coefficient de corrélation de 50,763. La illustre une mesure selon deux axes avec deux électrodes disposées à deux endroits différents de la plante. Essai sur QUERCUS CERRIS Les signaux électriques ont été recueillis avec huit électrodes réparties sur le tronc de la plante pour l’identification de la variation annuelle de l'amplitude de la variation électrique journalière d'un arbre. L'utilisation de la technique du filtre à convolution permet d'obtenir des valeurs moyennes utilisables et cohérentes. L'insertion des électrodes dans le tronc de l'arbre nécessite l'élimination de l'écorce de la zone en question. La combinaison de la technique multiélectrode et d'une sélection de données spécifique permet d’améliorer la cohérence des signaux recueillis. Essai sur Populus nigra Les signaux électriques ont été recueils avec 26 électrodes réparties sur le tronc de la plante pour l’étude des variations spatiales et temporelles de la distribution du potentiel électrique d'un arbre et la mise en évidence des variations diurnes du potentiel électrique au cours des différentes saisons. L'utilisation de 26 électrodes et d'une longue période permet des mesures précises et fiables. Le contact entre les électrodes et l'arbre est protégé des intempéries. Le système d'acquisition de données utilisé est capable d'enregistrer en temps réel. Essai sur le soja Le système d'acquisition de données nécessite une à deux heures à pour stabiliser le potentiel électrique de la plante en raison de l'insertion des électrodes. Les méthodes de mesures bioélectrochimiques sont exploitables dans l'étude de la propagation du signal. L'utilisation de la plante comme biocapteur de lumière rouge et bleue est possible. Essai sur le Dionaea muscipula Ellis (Venus flytrap) Le système d'acquisition permet l’étude des activités électriques dans le piège à mouches de la plante carnivore Vénus. Un système d'acquisition de données en temps réel performant a été développé et les résultats sont validés. L'effet d'aliasing est éliminé grâce à l'enregistrement à grande vitesse. Le système de contrôle électronique pour la stimulation est équipé d'une isolation optique. Il faut attendre pour stabiliser le potentiel électrique de l'installation en raison de l'insertion des électrodes. D’autres essais ont été réalisés sur des tubercules rouges de pomme de terre irlandaise, sur Golden Delicious and Arkansas Black apples (Malus domestica Borkh.), sur des courges de variétés Pumpkin seed Cucurbita pepo L., cv. Cinderella, Cucurbita maxima L. cv Warty Goblin, and Cucurbita maxima L., cv. Jarrahdale, sur de l’aloes Aloe Vera et sur Mimosa pudica. Tous les essais susvisés sont basés sur l'utilisation d'électrodes (3, 5). Les électrodes peuvent être soit insérées dans les cellules (microélectrodes), placées en surface (électrodes de type ECG), soit insérées directement dans la plante. Plusieurs expériences ont été menées sur différents types de plantes, telles que le soja, le mimosa pudica, le peuplier, le chêne, les algues et les arbres fruitiers. L'interprétation des données obtenues montre que les signaux électriques des plantes permettent de traduire des informations utiles liées aux variations climatiques. De même, des études montrent que la plante réagit au toucher, à la pression mécanique, à divers agents chimiques, à la température et à l'irradiation. L’utilisation des capacités sensorielles de la plante pour mesurer les variables climatiques est certainement intéressante. Capteur environnemental comprenant des moyens d’acquisition des signaux électrophysiologiques générés par un végétal et des moyens de traitement de ces signaux caractérisé en ce que lesdits moyens d’acquisition sont constitués d’une première électrode (5) en contact direct ou indirect avec le milieu de culture dudit végétal, et d’une deuxième électrode (3) en contact électrique avec la tige ou une feuille dudit végétal, lesdits moyens de traitements comportant un circuit d’échantillonnage (15) de la tension mesurées au borne desdites électrodes, à une fréquence comprise entre 10 et 500 Hz, un circuit de filtrage (25), et un calculateur (35) exécutant un code informatique de traitement du signal numérisé et filtré selon un modèles numérique pour extraire d’une séquence d’au moins deux variables correspondant à des variables environnementales comprenant la température (en degré), l’hygrométrie (en pourcentage), le taux de CO (en ppm), le taux de CO 2 (en ppm) , l’éclairage ambiant (en lux), la vitesse du vent (m.s -2 ) , la direction du vent, le niveau d’irradiation solaire (en W.m -2 ) , le taux de précipitation (mm), et/ou la présence de parasites. Capteur environnemental selon la revendication 1 caractérisé en ce qu’une partie des électrodes est constituée par un film adhésif hydrophile présentant une zone conductrice. Capteur environnemental selon la revendication 1 caractérisé en ce qu’une partie des électrodes est constituée par une tige métallique apte à être enfoncé dans le sol. Capteur environnemental selon la revendication 1 caractérisé en ce qu’une partie des électrodes est constituée par une tige métallique pointue apte à être enfoncé dans la tige ou le tronc d’une plante. Capteur environnemental selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits modèles numériques sont constitués par une série de coefficients d’ajustements du signal. Capteur environnemental selon la revendication 1 caractérisé en ce qu’il comporte au moins une électrode implantée dans le sol et une pluralité d’électrodes réparties sur la plante.