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【用户成果】3D 打印 “智慧皮肤”：精准守护植物成长之路

来源：上海幂方电子科技有限公司 更新时间：2025-03-12 10:15:13 阅读量：208
导读：【用户成果】3D 打印 “智慧皮肤”：精准守护植物成长之路
研究背景
全球气候变化和病毒虫害严重影响作物产量，威胁全球粮食供应。了解影响植物生长的生物和环境因素对提高作物产量至关重要，应变传感器可用于监测植物生长，但现有植物应变传感器存在拉伸性能受限、机械强度高、信号不稳定、测量精度不足和制造工艺复杂等问题。水凝胶基应变传感器虽有软拉伸性等优点，但在界面兼容性和可编程性方面仍面临挑战。3D 打印技术为克服传统传感器制造的复杂性提供了可能，但实现应变传感器的可重复、可编程 3D 打印仍具挑战 。
研究成果
高灵敏度应变传感器对于监测植物生长过程中的细微变化至关重要，在植物传感领域有着广泛的应用。然而，目前这类传感器的主流集成制造方法往往成本高昂且工艺复杂，这阻碍了其基础设计和实际应用。在此，江西科技师范大学卢宝阳教授团队开发了一种简单有效的多材料全3D打印技术，用于制造具有多层结构的集成应变传感器。这种全3D打印的应变传感器展现出卓越的传感性能，能够精确检测植物生长过程中的微小应变，具有高拉伸性（>300%）、高灵敏度（应变系数为12.78）、良好的线性度（0.98），并且在3000次加载/卸载循环后仍具有良好的长期稳定性。我们进一步验证了这种3D打印集成应变传感器在14天内精确连续监测竹子水平和垂直方向生长的潜在应用。我们的全3D打印应变传感器为用于植物生长监测的集成应变传感系统开辟了一条有前景的道路。相关研究以“All 3D-printed high-sensitivity adaptive hydrogel strain sensor for accurate plant growth monitoring”为题发表在Soft Science期刊上。
创新点
1. 采用多材料全 3D 打印技术制造集成应变传感器，简化了传统制造工艺中复杂的层合过程，避免了多步骤制造带来的界面问题，实现了连续多材料生产和可编程的一体化制造 。
2. 该传感器具有高拉伸性（>300%）、高灵敏度（GF 最高达 12.78）、良好的线性度（0.98）和长期稳定性（3000 次加载 / 卸载循环），性能优于许多先前报道的 PEDOT:PSS-PVA 应变传感器 。
3. 首次将全 3D 打印的应变传感器应用于精确监测植物生长，能够实时准确地检测植物生长过程中的微小应变变化，为植物生长监测提供了新的有效手段 。
图文导读
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Figure 1. Design of an integrated 3D printing strain sensing device.
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Figure 2. Evaluation of multi-material ink printability. 
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Figure 3. All 3D printed strain sensing devices and sensitivity analysis. 
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Figure 4. Sensing properties of the 3D printed PEDOT:PSS-PVA strain sensing device. 
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Figure 5. Application of 3D printed PEDOT:PSS-PVA strain sensing device for bamboo growth monitoring.
总结与展望
在这项工作中，作者提出了一种新颖的全 3D 打印技术，通过连续的多材料打印来制造定制化、可编程、柔软且高灵敏度的应变传感装置。基于直接墨水书写（DIW）3D 打印技术对两种粘弹性墨水进行了特性表征，并选择了最佳打印参数来抑制溶液扩散行为，确保高保真度打印。此外，顺序设计和适配的打印模式能够实现集成应变传感装置的无缝制造。进一步全面评估了该装置的性能和可行性，包括机械性能、电学性能以及不同应变下的传感信号分析。结果表明，打印出的应变传感装置具有优异的拉伸性能和更高的灵敏度。通过对植物生长的实时监测，证明了该传感装置的有效性。为实现对不同植物的多通道监测，未来的研究可聚焦于利用多材料 3D 打印技术开发多通道互连导电路径。总体而言，所提出的多材料全 3D 打印技术为高效制造能够实时准确监测植物生长的高性能应变传感装置提供了一个有前景的平台，有望应用于植物传感以及可穿戴设备、软机器人和生物电子学等相关领域。
文献链接
https://dx.doi.org/10.20517/ss.2024.38
*本文来源：作者团队，感谢作者团队对本公众号的大力支持！如有侵权，请联系删除，如有冒犯之处敬请见谅!


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