网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

《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

0
分享至


01

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。

02

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。

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
“我爸眼睛价格,是11.3元”,全网疯传视频,撕开多少家庭的绝望

“我爸眼睛价格,是11.3元”,全网疯传视频,撕开多少家庭的绝望

米果说识
2026-09-19 12:03:54
车晓谈前夫李兆会:世上除了我妈他最爱我,但他的爱令我无法承受

车晓谈前夫李兆会:世上除了我妈他最爱我,但他的爱令我无法承受

舊事別提
2026-10-08 20:51:28
影视表演艺术家彭玉逝世 享年93岁

影视表演艺术家彭玉逝世 享年93岁

北青网-北京青年报
2026-10-08 17:28:03
华为Mate 80激活量破930万台:一款卖了一年的旗舰,为什么还在爬坡

华为Mate 80激活量破930万台:一款卖了一年的旗舰,为什么还在爬坡

数码Antenna
2026-10-08 16:06:58
法国籍女子在韩商场叫嚣:全世界都讨厌中国人!中国女子当场出手

法国籍女子在韩商场叫嚣:全世界都讨厌中国人!中国女子当场出手

安梦入天下
2026-09-21 12:40:03
“希望4个老人长命百岁”,女子晒3万多退休金,普通人的心却凉了

“希望4个老人长命百岁”,女子晒3万多退休金,普通人的心却凉了

番外行
2026-09-22 16:10:14
赫鲁晓夫对中国三大贡献:将斯大林时期赖着不给的旅顺港归还、为中国提供百万吨粮食,还帮中国建立首个原子反应堆,然而也因为他

赫鲁晓夫对中国三大贡献:将斯大林时期赖着不给的旅顺港归还、为中国提供百万吨粮食,还帮中国建立首个原子反应堆,然而也因为他

回京历史梦
2026-10-09 02:20:04
五角大楼称将直播胡德堡基地枪击案罪犯枪决过程引争议,万斯回应:我不会看

五角大楼称将直播胡德堡基地枪击案罪犯枪决过程引争议,万斯回应:我不会看

环球网资讯
2026-10-10 08:41:21
9家央企售电公司联名求助:8个月亏20亿,全年或亏50亿

9家央企售电公司联名求助:8个月亏20亿,全年或亏50亿

第一财经资讯
2026-10-09 13:50:10
苏州一对情侣,谈了7年,女子提了18次分手,分手后在街头痛哭!

苏州一对情侣,谈了7年,女子提了18次分手,分手后在街头痛哭!

川渝视觉
2026-04-17 22:13:14
高考考生捡到110万现金归还失主,对方连水都没请,第3天却带68人登门开口的话让他愣住!

高考考生捡到110万现金归还失主,对方连水都没请,第3天却带68人登门开口的话让他愣住!

水泥土的搞笑
2026-10-09 01:52:17
陪睡门主角魏莹奢靡生活曝光,豪车出行、到处旅游打卡,纸醉金迷

陪睡门主角魏莹奢靡生活曝光,豪车出行、到处旅游打卡,纸醉金迷

一曲一场談
2026-08-20 15:50:26
日本全面叫停种植牙?种牙潜藏的风险与后遗症,一次为你讲明白

日本全面叫停种植牙?种牙潜藏的风险与后遗症,一次为你讲明白

健康科普365
2026-08-13 14:30:15
宋佳拿下飞天奖,成就大满贯,海清有点尴尬了!

宋佳拿下飞天奖,成就大满贯,海清有点尴尬了!

影视地平线
2026-10-09 22:23:02
米体:奥斯瓦尔多感染源为蛀牙,仍在重症监护

米体:奥斯瓦尔多感染源为蛀牙,仍在重症监护

懂球帝
2026-10-10 04:50:49
尊界回应制动踏板3次断裂测试:设计问题甩锅国标,不召回仅免费升级,新华社连夜删帖,评论一边倒

尊界回应制动踏板3次断裂测试:设计问题甩锅国标,不召回仅免费升级,新华社连夜删帖,评论一边倒

李晚书
2026-10-09 07:52:18
山西鹳雀楼超一半游客来自陕西,签名墙整面黢黑,换板速度赶不上签字速度,景区:已定制陕西专属签名墙

山西鹳雀楼超一半游客来自陕西,签名墙整面黢黑,换板速度赶不上签字速度,景区:已定制陕西专属签名墙

极目新闻
2026-10-06 16:10:12
回顾:几百万难民无家可归,中国有责任收留?中方甩出4字:白日做梦

回顾:几百万难民无家可归,中国有责任收留?中方甩出4字:白日做梦

一姐说军史
2026-09-22 14:31:59
尊界事件:放下站队思维,少些立场预判 | 新京报快评

尊界事件:放下站队思维,少些立场预判 | 新京报快评

新京报
2026-10-09 18:13:26
“降脂疫苗”正式启用了,每年只需注射2次,什么人都可以打?

“降脂疫苗”正式启用了,每年只需注射2次,什么人都可以打?

垚垚分享健康
2026-10-08 19:02:51
2026-10-10 10:24:49
高分子材料科学 incentive-icons
高分子材料科学
学习《高分子材料科学》进展
2862文章数 6502关注度
往期回顾 全部

科技要闻

上世纪成熟的踏板,为何今天还会断裂?

头条要闻

男子称吃出胶圈索赔1000元 商场发现异样:一天吃4顿

头条要闻

男子称吃出胶圈索赔1000元 商场发现异样:一天吃4顿

体育要闻

与C罗硬碰硬,一个72岁老人的倔强

娱乐要闻

胡歌现身游本昌遗体告别仪式

财经要闻

蹭尊界流量?岚图汽车在“玩火”

汽车要闻

2027款深蓝L06及追风版上市 限时权益价11.49万元起

态度原创

旅游
本地
时尚
公开课
军事航空

旅游要闻

2026年度“徒步·寻迹齐长城”国家文化公园主题活动举办

本地新闻

转型再出发 奋勇打头阵

时尚早知道!2027春夏十大流行趋势

公开课

李玫瑾:为什么性格比能力更重要?

军事要闻

美乌将举行新一轮会谈

无障碍浏览 进入关怀版