《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

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。