《Soft Science》全3D打印高靈敏水凝膠應變傳感器，實現植物生長精準監測

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研究背景

1. 全球氣候變化、病蟲害影響農作物產量，精準監測植物生長對保障糧食安全意義重大，應變傳感器是監測植物形變與生長的有效手段。

2. 傳統植物應變傳感器拉伸性能差、硬度高，易損傷植物組織；水凝膠傳感器質地柔軟、可實現無損監測，但普遍存在界面相容性差、可設計性弱、制備工藝繁瑣、設備成本高、信號不穩定等問題。

3. 傳統傳感器制備依賴旋涂、絲網印刷、刻蝕等多道工序，多為平面結構，限制應用；直寫成型（DIW）3D 打印可簡化制備、定制結構，但實現可重復、可編程的傳感器打印仍存在油墨流變、層間結合等技術難題。

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研究成果

本研究采用多材料直寫成型（DIW）全 3D 打印技術，制備多層一體化水凝膠應變傳感器，用于植物生長精準監測，核心成果如下：

1. 打印油墨與工藝優化

配制 PEDOT:PSS-PVA 導電油墨、PVA 基底油墨、PDMS 封裝油墨，系統優化打印噴嘴、氣壓、打印速度等參數，解決油墨擴散、成型精度低問題；210 μm 噴嘴下，PVA 油墨最小打印分辨率 237 μm，導電油墨為 251 μm，實現多材料無縫一體化打印。

1. 傳感器結構與傳感性能

傳感器為四層結構（PDMS 底層 + PVA 柔性基底 + PEDOT:PSS-PVA 導電傳感層 + PDMS 封裝層），層間依靠氫鍵、物理交聯實現緊密結合，界面穩定性優異。

• 力學性能：拉伸率超 300%，柔韌性極佳；

• 傳感靈敏度：方形結構傳感層性能最優，最大應變系數GF=12.78，全域線性度達 0.98，滯后性＜0.4%；

• 響應與抗干擾：響應 / 恢復時間約 330 ms，抗扭轉、按壓、不同頻率信號干擾能力強；

• 循環穩定性：經過3000 次拉壓循環后，電阻信號無明顯漂移，長效使用性能穩定。

1. 實際應用驗證

將傳感器貼附于竹稈，連續14 天監測竹子橫向、縱向生長：竹子縱向生長速率約 1 mm / 天，橫向生長速率約 0.18 mm / 天，可精準捕捉植物微弱形變，證明該傳感器適用于植物生長長期、實時監測。

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圖文導讀

圖 1 一體化 3D 打印應變傳感器設計

(A) 用于植物生長監測的一體化 3D 打印應變傳感器；(B) 應變傳感器的多材料結構示意圖。該一體化器件為四層結構：聚二甲基硅氧烷（PDMS）底層、聚乙烯醇（PVA）柔性基底層、聚 3,4 - 乙烯二氧噻吩 - 聚苯乙烯磺酸鹽 / 聚乙烯醇（PEDOT:PSS-PVA）傳感層以及聚二甲基硅氧烷（PDMS）封裝層；(C) 一體化應變傳感器的打印流程。

圖 2 多材料油墨可打印性測試

(A) 不同打印噴嘴口徑（90~410 微米）與打印壓力（50~300 千帕）下，PEDOT:PSS-PVA 油墨的可打印性相圖；(B) 噴嘴口徑 210 微米、打印高度 0.1 毫米時，PEDOT:PSS-PVA 油墨打印線寬隨打印速度（0~6 毫米 / 秒）與打印壓力（100、200、300 千帕）的變化關系；(C) 不同打印參數下成型的 PEDOT:PSS-PVA 油墨線條；(D) 不同打印噴嘴口徑（90~410 微米）與打印壓力（50~300 千帕）下，PVA 油墨的可打印性相圖；(E) 噴嘴口徑 260 微米、打印高度 0.1 毫米時，PVA 油墨打印線寬隨打印速度（0~8 毫米 / 秒）與打印壓力（100、200、300 千帕）的變化關系；(F) 不同打印參數下成型的 PVA 油墨線條。

圖 3 全 3D 打印應變傳感器及其靈敏度分析

(A) PEDOT:PSS-PVA 油墨與 PVA 油墨實物圖；(B) 一體化應變傳感器的 3D 打印過程；不同圖案的導電層結構及拉伸試樣：(C) 微波形、(D) 曲線形、(E) 菱形、(F) 方形；不同應變（0%~300%）下各類圖案的傳感性能：(G) 微波形、(H) 曲線形、(I) 菱形、(J) 方形。

圖 4 3D 打印 PEDOT:PSS-PVA 應變傳感器的傳感性能

(A) 傳感器在大應變區間（0%~300%）下的相對電阻變化；(B) 傳感器在 0%~300% 應變范圍內的線性度（決定系數\(R^2\)=0.98）與滯后性（0.4%）；(C) 傳感器在 0%~300% 循環應變下的響應時間；(D) 相同時長、50% 應變條件下，傳感器在不同頻率下的相對電阻變化；(E) 抗壓力干擾性能。插圖分別展示器件經受約 50% 單軸拉伸與錘擊測試的狀態；(F) 抗扭轉性能。插圖分別展示器件經受約 250% 單軸拉伸與人工扭轉測試的狀態；(G) 不同 PEDOT:PSS-PVA 基應變傳感器的性能對比（拉伸性、循環穩定性、靈敏度）；(H) 100% 應變下，傳感器經過 3000 次循環測試的穩定性。

圖 5 3D 打印 PEDOT:PSS-PVA 應變傳感器在竹子生長監測中的應用

(A) 全 3D 打印應變傳感器實時監測竹子生長的實驗布設場景；(B)(C) 分別為第 1 天、第 7 天、第 14 天竹子徑向、橫向生長的實拍圖；(D) 全 3D 打印應變傳感器在 0%~300% 應變范圍內的傳感特性（靈敏度與線性度）；(E) 應變傳感器連續 14 天監測竹子縱向生長情況；(F) 應變傳感器連續 14 天監測竹子橫向生長情況（ΔD：竹子生長量）。

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全文總結

1. 創新采用多材料全 3D 打印技術，簡化傳統傳感器復雜制備流程，實現多層一體化、可定制化水凝膠應變傳感器的高效制備。

2. 該傳感器兼具高拉伸性、高靈敏度、高穩定性與低滯后性，解決了傳統傳感器易損傷植株、信號不穩、工藝復雜的痛點。

3. 實測證明傳感器可長期精準監測植物細微生長形變，為農業智能化植物監測提供了新方案。

4. 展望：后續可基于該 3D 打印技術開發多通道傳感網絡，拓展至可穿戴電子、軟體機器人、生物電子等多個領域。