Ανάπτυξη εύκαμπτων αισθητήρων για την ανίχνευση των μηχανικών παραμορφώσεων στα φυτά
Creators: name: Κουτρούλη, Βασιλική Αντωνίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2022
Subjects: μηχανοαισθητήρες
εύκαμπτοι αισθητήρες
αισθητήρες παραμόρφωσης
Resistive strain sensors
stretchable strain sensors
mechanosensing

description: Η μηχανική απόκριση των φυτών στα διάφορα ερεθίσματα διαδραματίζει ζωτικό ρόλο στην υγεία, στην εξέλιξη και στην απόδοσή τους. Η ικανότητα παρακολούθησης των μηχανικών παραμορφώσεων των φυτών με ακρίβεια και εξ αποστάσεως φέρει σημαντικό αντίκτυπο στην Βιολογία και μπορεί να οδηγήσει στην αύξηση της συγκομιδής ή σε ανθεκτικότητα στις περιβαλλοντικές συνθήκες. Το γεγονός αυτό δημιουργεί την ανάγκη για ανάπτυξη ελαφριών, βιοσυμβατών μηχανικών αισθητήρων οι οποίοι μπορούν να τοποθετηθούν στην επιφάνεια των φυτών χωρίς να επηρεάσουν την λειτουργικότητά τους. Η εργασία αυτή πραγματοποιεί τα πρώτα βήματα για την ανάπτυξη μιας τέτοιας συσκευής ικανής να μετρήσει την μηχανικής παραμόρφωση των φυτών in vivo. Η αρχή λειτουργίας του αισθητήρα στηρίζεται στην εξάρτηση της αντίστασης από τις διαστάσεις του μεταλλικού υμενίου οι οποίες σχετίζονται με τις παραμορφώσεις των φυτών όταν το υμένιο κατασκευάζεται σε ένα κατάλληλο εύκαμπτο υπόστρωμα. Για την κατασκευή των αισθητήρων χρησιμοποιήθηκε χρυσός ως το αισθητήριο μέσο παραμόρφωσης, ο οποίος εναποτέθηκε στο ελαστικό πολυμερές poly-dimethylsiloxane μέσω θερμικής εξάχνωσης. Κατασκευάστηκαν τρία διαφορετικά πάχη δειγμάτων των 50nm, 100nm και 150nm. Για τον χαρακτηρισμό των αισθητήρων, κατασκευάστηκε ένα οικονομικό εξτενσιόμετρο, ικανό να εφαρμόζει ελεγχόμενη εφελκυστική τάση με μικρομετρική διακριτική ικανότητα. Το εξτενσιόμετρο ενσωματώθηκε με ένα συγχρονισμένο όργανο για την μέτρηση της αντίστασης, επιτυγχάνοντας την δυνατότητα καταγραφής συγχρόνως της αντίστασης ως συνάρτηση της παραμόρφωσης. Η επίδοση των αισθητήρων χαρακτηρίστηκε από την παρακολούθηση του τρόπου μεταβολής της αντίστασης όταν αυτοί υποβλήθηκαν σε ελεγχόμενη εφελκυστική επιμήκυνση. Οι αισθητήρες παρουσίασαν αποκλίσεις απόο την αναμενόμενη γραμμικότητα και υστερητική συμπεριφορά ακόμα και σε μικρές παραμορφώσεις. Ωστόσο, οι αισθητήρες παρουσίασαν καλή ευαισθησία στις μηχανικές παραμορφώσεις, καθιστώντας τους ικανούς να χρησιμοποιηθούν για την αξιολόγηση της ανάπτυξης των φυτών
description: The mechanical response of plants to various stimuli plays a vital role on their health, development and yield. The ability to remotely and precisely track the mechanical deformation of the plants’ cells is expected have a great impact on plant biology and triggering cell’s deformation is expected to lead to increased crop harvest or resilience to suboptimal environmental conditions. This raises the need for developing lightweight, bio-compatible mechanical sensors and actuators, which can be positioned on the surface of plants in order to record, or to induce, their mechanical deformation without affecting their functionality. This thesis performs the first steps towards the development of a device capable of measuring the plants cells’ mechanical deformation in vivo. We are particularly interested in the deformation of the cells that form the plant’s leaves. The developed strain sensors rely on the dependence of a metallic film resistance on the dimensions of the film, measured upon leaves deformation. To allow mechanical compliance with the leaves, the metallic film is grown on an appropriate, soft and flexible substrate. The fabricated devices use gold for the metallic film, deposited on the elastic polymer polydimethylsiloxane in a thermal evaporation chamber. Three different metal thicknesses,50 nm, 100 nm and 150 nm, were manufactured. In order to characterize the fabricated sensors, an extensometer, capable of applying controlled tensile stress with sub-micrometer resolution, was constructed, from the ground up, with low-cost, off-the-shelf components. The extensometer was synchronized with a source-meter that measures resistance. The performance of the sensors was characterized by monitoring how their resistance changed when they were subjected to controlled tensile elongation. The devices demonstrated deviations from linearity and hysteretic behavior even at low relative elongations. This is attributed to the mechanical properties of the polymeric substrates. On the other hand, the sensors displayed good sensitivity to mechanical deformations, indicating that they can be employed to evaluate plant growth