近年來，柔性傳感器因其可實現實時監測植物生理信號等方面的優勢，在智慧農業、智慧醫療中發揮著越來越重要的作用。然而，復雜曲面廣泛存在于人體器官和植物體表面，是柔性電子器件結構和功能設計中無法忽視的環境因素。
目前，研究人員通常通過減小器件尺寸的策略，來提高其對復雜曲面的適應能力。但是，小曲率的曲面由于器件最小尺寸的限制，通過以往的策略并不可行。?
柔性溫度傳感器工作示意圖
基于智慧農業對植物體表溫度進行實時、精準監測的需求，中國農業大學團隊設計了一種可變形柔性溫度傳感器，該器件可適應植物體表平面和復雜曲面，并借助傳統的平面微納加工工藝制備而成。其在失穩變形后，可對同尺度曲面進行完美包裹，并同時實現了對植物體表溫度的精準在線監測。
近日，相關論文以《設計用于不規則表面微環境溫度監測的柔性和可變形植物傳感器》（Flexible and Shape-Morphing Plant Sensors Designed for Microenvironment Temperature Monitoring of Irregular Surfaces）為題發表在Advaced Materials Technologies期刊上。中國農業大學理學院力學系碩士研究生董凱如為該論文第一作者，趙倩副教授為論文通訊作者。
該團隊設計出一種環狀旋轉對稱結構，巧妙地借助該結構的失穩特性，實現了器件對不可展曲面的自然包裹。該結構展現了較高的靈活性與適應性，特別是對于曲率半徑與器件幾何尺寸相當的復雜曲面，都可實現貼附效果。
柔性可變形溫度傳感器的結構示意圖
經研究人員驗證，在維度轉換過程中，結構變形產生的應變可控制在 0.1% 以內。與此同時，對于球形果實的生長變形，該結構也體現了較好的適應性。
a、集成于同尺度球面上的器件實物圖以及器件局部放大圖；b、電阻變化在加熱和冷卻循環期間測量的傳感器的比例和校準結果
那么，該傳感器具體可滿足平面和復雜曲面的哪些實際需求呢？
為了驗證結構設計的有效性，該團隊首先針對常規平面應用場景和特殊的等尺度球面場景，在不同測試溫度下的傳感性能進行比較。實驗證明，集成于球面上的器件傳感性能幾乎沒有損失。
其次，在等尺度球面上進行了更大溫度測量范圍內的準確度評估。最后，他們驗證了集成于果實表面的器件，對被測物體表面動態溫度變化的識別能力。
這種新型結構的提出，為基于平面微納加工工藝制備三維柔性電子器件提供了重要的解決手段，突破了曲面應用場景對器件尺寸的限制，極大拓展了現有平面柔性電子器件的應用空間。
集成于多種果實表面的器件實物圖
另外，考慮該結構的穩定性問題，針對常規的平面應用場景，研究人員還提出了適用于常規平整葉片的溫度傳感器。該器件使用低等效模量多孔基底結構設計，減小了器件在長期監測的應用中對葉片自由生長的束縛，也在一定程度上提升了器件的延展率。
同時，基底上的孔洞也為葉片進行正常生理活動提供了通道，包括與環境的熱量交換以及物質交換（各種揮發性有機物、二氧化碳、氧氣等）。
值得關注的是，該器件十分小巧，整體只有 0.35mm 厚、27mg 重。其基底材料為聚二甲基硅氧烷，傳感器部分為金薄膜材料，線性度較高。
據介紹，該傳感器工作壽命較長，根據相關實驗，在集成 20 天后，其可連續 24 小時同時檢測微環境溫度，而不會因生長導致功能障礙。
值得關注的是，該器件具備較高的靈敏度，可識別 0.1℃ 的溫度變化，且對溫度變化的響應時間在 10 秒以內。此外，該研究對戶外應用場景中器件受風吹擾動而產生的應變噪聲，也進行了評估。
a、柔性葉片溫度傳感器系統；b、傳感器結構示意圖
集成于被測葉片表面的器件實物圖
從功能角度來看，該器件兼顧了生物兼容性和結構設計的科學性，該研究為柔性電子技術在植物生理監測方面中所面臨的問題和挑戰提出了初步解決策略。
總地來說，實時在線采集的監測數據，對精準獲取植物的生長狀態、預測生理活動趨勢等具有重要的科學意義。
延伸閱讀：
《印刷和柔性傳感器技術及市場-2021版》
《可穿戴傳感器技術及市場-2022版》
