民為國基，農(nóng)為民命。如今，智慧農(nóng)業(yè)已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的世界性趨勢。以我國為例，從中原糧倉到東北黑土地，再到江南魚米之鄉(xiāng)，新農(nóng)機、新技術(shù)已逐步扎根田間，希望的田野正發(fā)生著深刻變革：從“人扛牛拉”到“機器耕種”，從“靠經(jīng)驗”到“靠數(shù)據(jù)”……“汗水農(nóng)業(yè)”正在被迭代，向著“智慧農(nóng)業(yè)”加速轉(zhuǎn)變。從此，五谷豐登不僅來自風調(diào)雨順的自然饋贈，更離不開以農(nóng)業(yè)科技為支撐的農(nóng)產(chǎn)品綜合生產(chǎn)、供應(yīng)等方面能力的提升。中國農(nóng)業(yè)大學工學院機械工程系副教授肖新清便深耕于相關(guān)領(lǐng)域之內(nèi)，以新型智能傳感技術(shù)為農(nóng)業(yè)發(fā)展的騰飛插上翅膀。

肖新清

隨著消費結(jié)構(gòu)不斷升級，互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的迅速興起，推動農(nóng)業(yè)從增產(chǎn)轉(zhuǎn)向提質(zhì)導(dǎo)向已成為必然。“而智能傳感是實現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)的第一步”，肖新清說，只有通過傳感技術(shù)獲取最基礎(chǔ)、精確的數(shù)據(jù)信息，才能在農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈的每個環(huán)節(jié)都做出正確決策，穩(wěn)住消費者的“糧袋子”，鼓起農(nóng)民的“錢袋子”。因此，他數(shù)年如一日圍繞農(nóng)產(chǎn)品“減損保供、提質(zhì)增效、智能感知”過程中存在的品質(zhì)感知“斷電”、生物適應(yīng)性低、耗能高、器件制備效率低與成本高、追溯“斷鏈”與高損失率等痛難點問題，依照“品質(zhì)持續(xù)感知—品質(zhì)動態(tài)耦合—品質(zhì)可追溯”的研究思路，重點開展農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)柔性無源無線智能感知、品質(zhì)耦合建模與追溯研究。

云銷雨霽，彩徹區(qū)明

作為信息技術(shù)領(lǐng)域三大支柱之一，傳感技術(shù)也是衡量一個國家信息化程度的重要標準。然而，與計算機等技術(shù)相比，在過去的許多年里，國內(nèi)外對傳感技術(shù)的重視和支持都相對匱乏，行業(yè)內(nèi)尚存許多問題亟待解決。“尤其在與農(nóng)業(yè)相交融的傳感領(lǐng)域，問題尤為凸顯。智慧農(nóng)業(yè)時代需要感知技術(shù)。現(xiàn)在消費者對于農(nóng)產(chǎn)品從收獲至端上餐桌的全過程知之甚少，更遑論每一環(huán)節(jié)的品質(zhì)信息。”肖新清說。

基于這一認知，早在中國農(nóng)業(yè)大學攻讀博士期間，肖新清便在導(dǎo)師的帶領(lǐng)下開始聚焦農(nóng)產(chǎn)品的智慧物流方向研究。“以往受技術(shù)限制，對食品貯運物流過程開展直觀品質(zhì)實時監(jiān)測及可追溯的手段比較少，一般都是通過監(jiān)測貯運過程中的環(huán)境參數(shù)間接反映食品的品質(zhì)，如溫度、氣體、濕度等。”為了改善這一現(xiàn)狀，他積極調(diào)研食品運輸過程中各項指標的監(jiān)測情況，沿著不同食品的貯運路線幾乎將全國跑了個遍。不僅如此，他還將收集到的理論數(shù)據(jù)積極實踐，參與到了國家自然科學基金項目“面向鮮食葡萄冷鏈物流品質(zhì)感知的微生物TTI響應(yīng)機理與建模”的研究之中，取得了系列創(chuàng)新成果，并先后獲得國家獎學金、北京市及中國農(nóng)業(yè)大學優(yōu)秀畢業(yè)生等榮譽。

但榮譽背后，肖新清感到的不只是欣喜，還有幾分慶幸。“其實我本科學的是電子信息技術(shù)。”作為一門通用技術(shù)，信息技術(shù)可以被應(yīng)用于各行各業(yè)，因此在錨定農(nóng)業(yè)融合研究方向之前，肖新清經(jīng)歷過一段十分迷茫的擇向時期。“化學、生物這些領(lǐng)域我也有嘗試過，但是后來發(fā)現(xiàn)‘迷霧’中的努力是沒有意義的，心中無向只會四處碰壁。”所幸，傅澤田教授、張小銓教授的指導(dǎo)及同仁的幫助讓他醍醐灌頂，“當我靜下心來重新審視過自身能力、回想科研來時路后，發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域是最適合我，也是我最感興趣的科研路線，我迫切地想為食品安全與新型農(nóng)業(yè)做點什么”。

科研藍圖的成功繪就讓肖新清收獲了“云銷雨霽，彩徹區(qū)明”的頓悟與快感，重新打起精神的他很快找回了自己的科研節(jié)奏。在成功留校延續(xù)科研工作后，他迎來了職業(yè)生涯中一個頗具階段性意義的科研項目“冷鏈冰鮮魚揮發(fā)性有機物pH敏感響應(yīng)的柔性無源無線無損高精準品質(zhì)動態(tài)檢測機理”。在國家自然科學基金青年基金的支持下，他帶領(lǐng)團隊以冷鏈冰鮮魚揮發(fā)性有機物為研究對象，對先前難解的動態(tài)、實時、精確品質(zhì)信息監(jiān)測展開破題。

項目中，肖新清和團隊綜合利用揮發(fā)性有機物的pH敏感響應(yīng)，以pH敏感雙電極系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以水凝膠制備材料為修飾，集成構(gòu)建了無損高精準動態(tài)檢測的水凝膠修飾型pH敏感器件，探明了pH敏感器對冷鏈冰鮮魚揮發(fā)性有機物的響應(yīng)特性，研究了不同腐敗程度、不同冷鏈溫度冰鮮魚品質(zhì)的主要理化指標（揮發(fā)性鹽基氮、細菌總數(shù)等）與pH敏感器響應(yīng)信號間的動態(tài)耦合關(guān)聯(lián)性，構(gòu)建了pH敏感器響應(yīng)信號與冷鏈冰鮮魚品質(zhì)間的動態(tài)耦合關(guān)聯(lián)模型，闡明了冷鏈冰鮮魚不同品質(zhì)指標對pH敏感器響應(yīng)特性的影響規(guī)律，為冷鏈冰鮮魚品質(zhì)的柔性無源無線無損高精準動態(tài)檢測開發(fā)與應(yīng)用提供了堅實理論與科學依據(jù)。

惟變所出，萬變不從

“柔性傳感是當前領(lǐng)域內(nèi)比較前沿的方向，它的應(yīng)用探索國際上更多聚焦于與人體穿戴相關(guān)的研究，因為它克服了傳統(tǒng)剛性硬件無法適應(yīng)整體安裝的問題，且跟生命體結(jié)合具備一定的生物相容性，在人體穿戴應(yīng)用方面的確是一門非常好的技術(shù)。但實際上，魚、蝦、肉、水果等農(nóng)產(chǎn)品本質(zhì)上也是生命體，同樣具有生物活性，因此只要將思路轉(zhuǎn)變一下，柔性傳感技術(shù)便可在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域大放異彩。”雖然，青年基金項目的成功已經(jīng)讓柔性傳感技術(shù)嶄露頭角，但無論是其中的自供電/無源傳感技術(shù)，還是動態(tài)監(jiān)測機理，都并非沒有提升的空間。

所謂“自供電/無源傳感”技術(shù)，針對的就是為貯運過程中的電池問題提供解決方案，這是肖新清團隊在平常實驗中汲取到的科研靈感。的確，傳感器一經(jīng)包裝再想被拆出來更換電池絕非一件易事，更不要提實際的農(nóng)產(chǎn)品貯運過程，從采購、收購到售賣不知要輾轉(zhuǎn)多少地方，若想對全鏈條流通環(huán)節(jié)的品質(zhì)相關(guān)參數(shù)進行實時、可追溯的監(jiān)測，傳感電池的充電問題則必須得到解決。而動態(tài)監(jiān)測機理則更不必說，盡管揮發(fā)性有機物的pH敏感響應(yīng)不錯，但肖新清并沒有止步于此，他繼續(xù)開展“冰鮮魚生物胺可見近紅外光響應(yīng)的柔性原位可穿戴無源無線無損品質(zhì)動態(tài)檢測機理”與“基于機器學習的農(nóng)產(chǎn)品全產(chǎn)業(yè)鏈品質(zhì)調(diào)控技術(shù)”等項目內(nèi)容的研究。

在這兩項研究課題中，肖新清帶領(lǐng)團隊分別從生物胺指標及無源/自供電柔性可視化感知技術(shù)入手，利用生物胺的可見/近紅外光光譜響應(yīng)，探明柔性陣列對生物胺的原位響應(yīng)特性，提取光響應(yīng)信號特征參數(shù)，構(gòu)建其“光-胺-品”的動態(tài)耦合模型，為冰鮮魚品質(zhì)柔性原位可穿戴無源無線無損動態(tài)檢測開發(fā)與應(yīng)用提供理論與科學依據(jù)。另外，他們也提出了農(nóng)產(chǎn)品全產(chǎn)業(yè)鏈品質(zhì)柔性可視化智能感知器件、邊緣智能計算系統(tǒng)及裝置的開發(fā)愿景，擬集成以往的所有關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)構(gòu)建農(nóng)產(chǎn)品全產(chǎn)業(yè)鏈品質(zhì)關(guān)鍵參數(shù)的可視化感知、分析與決策系統(tǒng)，建立農(nóng)產(chǎn)品全產(chǎn)業(yè)鏈品質(zhì)與可視化感知信號數(shù)據(jù)集，實現(xiàn)精準可視化感知與解析；同時，他們認為，應(yīng)系統(tǒng)辨識與篩選農(nóng)產(chǎn)品全產(chǎn)業(yè)鏈品質(zhì)關(guān)鍵調(diào)控參數(shù)，研究構(gòu)建品質(zhì)調(diào)控“區(qū)塊鏈+QR”可視化追溯服務(wù)模式，可提高品質(zhì)調(diào)控智能化及信息化水平。

惟變所出，萬變不從。肖新清深諳此理，因此在探索的路徑上從未怠惰。但瞬息萬變的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀下，不變的是一顆“以應(yīng)用為導(dǎo)向”的研究初心。為此，肖新清團隊在研發(fā)過程中積極實踐，開辟產(chǎn)學研融合的新思路。最初進行傳感技術(shù)攻關(guān)時，他們還須自行摸索、制備新型傳感設(shè)備，極大影響科研效率。后來，由于與相關(guān)企業(yè)積極開展合作，他們團隊引進了企業(yè)成熟的生產(chǎn)工藝，極大簡化了實驗周期。如今，他們已經(jīng)形成了一個包含技術(shù)研發(fā)、設(shè)備開發(fā)至生產(chǎn)推廣的完整產(chǎn)學研合作平臺。在這一平臺的支撐下，他們的夢想大多都能照進現(xiàn)實。而隨著肖新清團隊的科研進程開始邁向快車道，萬物互聯(lián)、智慧農(nóng)業(yè)的美妙藍圖也將逐漸絢爛起來……