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《Soft Science》全3D打印高灵敏水凝胶应变传感器,实现植物生长精准监测

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研究背景


  1. 全球气候变化、病虫害影响农作物产量,精准监测植物生长对保障粮食安全意义重大,应变传感器是监测植物形变与生长的有效手段。

  2. 传统植物应变传感器拉伸性能差、硬度高,易损伤植物组织;水凝胶传感器质地柔软、可实现无损监测,但普遍存在界面相容性差、可设计性弱、制备工艺繁琐、设备成本高、信号不稳定等问题。

  3. 传统传感器制备依赖旋涂、丝网印刷、刻蚀等多道工序,多为平面结构,限制应用;直写成型(DIW)3D 打印可简化制备、定制结构,但实现可重复、可编程的传感器打印仍存在油墨流变、层间结合等技术难题。

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研究成果

本研究采用多材料直写成型(DIW)全 3D 打印技术,制备多层一体化水凝胶应变传感器,用于植物生长精准监测,核心成果如下:

  1. 打印油墨与工艺优化

配制 PEDOT:PSS-PVA 导电油墨、PVA 基底油墨、PDMS 封装油墨,系统优化打印喷嘴、气压、打印速度等参数,解决油墨扩散、成型精度低问题;210 μm 喷嘴下,PVA 油墨最小打印分辨率 237 μm,导电油墨为 251 μm,实现多材料无缝一体化打印。

  1. 传感器结构与传感性能

传感器为四层结构(PDMS 底层 + PVA 柔性基底 + PEDOT:PSS-PVA 导电传感层 + PDMS 封装层),层间依靠氢键、物理交联实现紧密结合,界面稳定性优异。

  • 力学性能:拉伸率超 300%,柔韧性极佳;

  • 传感灵敏度:方形结构传感层性能最优,最大应变系数GF=12.78,全域线性度达 0.98,滞后性<0.4%;

  • 响应与抗干扰:响应 / 恢复时间约 330 ms,抗扭转、按压、不同频率信号干扰能力强;

  • 循环稳定性:经过3000 次拉压循环后,电阻信号无明显漂移,长效使用性能稳定。

  1. 实际应用验证

将传感器贴附于竹秆,连续14 天监测竹子横向、纵向生长:竹子纵向生长速率约 1 mm / 天,横向生长速率约 0.18 mm / 天,可精准捕捉植物微弱形变,证明该传感器适用于植物生长长期、实时监测。

03

图文导读


图 1 一体化 3D 打印应变传感器设计

(A) 用于植物生长监测的一体化 3D 打印应变传感器;(B) 应变传感器的多材料结构示意图。该一体化器件为四层结构:聚二甲基硅氧烷(PDMS)底层、聚乙烯醇(PVA)柔性基底层、聚 3,4 - 乙烯二氧噻吩 - 聚苯乙烯磺酸盐 / 聚乙烯醇(PEDOT:PSS-PVA)传感层以及聚二甲基硅氧烷(PDMS)封装层;(C) 一体化应变传感器的打印流程。


图 2 多材料油墨可打印性测试

(A) 不同打印喷嘴口径(90~410 微米)与打印压力(50~300 千帕)下,PEDOT:PSS-PVA 油墨的可打印性相图;(B) 喷嘴口径 210 微米、打印高度 0.1 毫米时,PEDOT:PSS-PVA 油墨打印线宽随打印速度(0~6 毫米 / 秒)与打印压力(100、200、300 千帕)的变化关系;(C) 不同打印参数下成型的 PEDOT:PSS-PVA 油墨线条;(D) 不同打印喷嘴口径(90~410 微米)与打印压力(50~300 千帕)下,PVA 油墨的可打印性相图;(E) 喷嘴口径 260 微米、打印高度 0.1 毫米时,PVA 油墨打印线宽随打印速度(0~8 毫米 / 秒)与打印压力(100、200、300 千帕)的变化关系;(F) 不同打印参数下成型的 PVA 油墨线条。


图 3 全 3D 打印应变传感器及其灵敏度分析

(A) PEDOT:PSS-PVA 油墨与 PVA 油墨实物图;(B) 一体化应变传感器的 3D 打印过程;不同图案的导电层结构及拉伸试样:(C) 微波形、(D) 曲线形、(E) 菱形、(F) 方形;不同应变(0%~300%)下各类图案的传感性能:(G) 微波形、(H) 曲线形、(I) 菱形、(J) 方形。


图 4 3D 打印 PEDOT:PSS-PVA 应变传感器的传感性能

(A) 传感器在大应变区间(0%~300%)下的相对电阻变化;(B) 传感器在 0%~300% 应变范围内的线性度(决定系数\(R^2\)=0.98)与滞后性(0.4%);(C) 传感器在 0%~300% 循环应变下的响应时间;(D) 相同时长、50% 应变条件下,传感器在不同频率下的相对电阻变化;(E) 抗压力干扰性能。插图分别展示器件经受约 50% 单轴拉伸与锤击测试的状态;(F) 抗扭转性能。插图分别展示器件经受约 250% 单轴拉伸与人工扭转测试的状态;(G) 不同 PEDOT:PSS-PVA 基应变传感器的性能对比(拉伸性、循环稳定性、灵敏度);(H) 100% 应变下,传感器经过 3000 次循环测试的稳定性。


图 5 3D 打印 PEDOT:PSS-PVA 应变传感器在竹子生长监测中的应用

(A) 全 3D 打印应变传感器实时监测竹子生长的实验布设场景;(B)(C) 分别为第 1 天、第 7 天、第 14 天竹子径向、横向生长的实拍图;(D) 全 3D 打印应变传感器在 0%~300% 应变范围内的传感特性(灵敏度与线性度);(E) 应变传感器连续 14 天监测竹子纵向生长情况;(F) 应变传感器连续 14 天监测竹子横向生长情况(ΔD:竹子生长量)。

04

全文总结


  1. 创新采用多材料全 3D 打印技术,简化传统传感器复杂制备流程,实现多层一体化、可定制化水凝胶应变传感器的高效制备。

  2. 该传感器兼具高拉伸性、高灵敏度、高稳定性与低滞后性,解决了传统传感器易损伤植株、信号不稳、工艺复杂的痛点。

  3. 实测证明传感器可长期精准监测植物细微生长形变,为农业智能化植物监测提供了新方案。

  4. 展望:后续可基于该 3D 打印技术开发多通道传感网络,拓展至可穿戴电子、软体机器人、生物电子等多个领域。

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