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陜科大劉新華、姜慧娥等 AFM：具有三明治架構的適形植物貼附Janus電子皮膚用于植物多模態表型監測

2026-03-29 來源：高分子科技

近日，陜西科技大學生物質與功能材料研究所劉新華教授與姜慧娥副教授聯合開發出一種具有“Janus”不對稱隔離結構的多模態柔性電子皮膚（SPM/HMA@P），實現了對植物多模態生理表型參數的原位、精準監測以及采后果品的高精度分類，為智慧農業中的作物狀態連續追蹤與品質評估提供了全新策略。

2026年3月12日，相關成果以“Conformable Plant-Attachable Janus E-Skin with Sandwich Architecture for Plant Multimodal Phenotyping”為題發表在Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.74881）上。陜西科技大學碩士研究生邢龍為本論文的第一作者，通訊作者為陜西科技大學輕工科學與工程學院的姜慧娥副教授和劉新華教授。

準確獲取植物的生理與代謝狀態是現代農業水肥管理和病害早期預警的基礎。然而，傳統的剛性監測設備易對脆弱的植物組織造成機械損傷。同時，常規柔性傳感器在農業微生境復雜的高濕環境中極易發生信號漂移，且在多重生理信號同步采集時存在嚴重的跨物理場串擾問題，難以實現原位、精準的多模態監測。因此，開發兼具高界面順應性、抗濕干擾且能有效解耦多物理/化學信號的柔性傳感器，對于植物表型的系統性評估至關重要。

該研究團隊通過將天然生物基聚合物與柔性電子技術及人工智能算法相結合，提出并構建了一種具有空間解耦結構的多模態柔性電子皮膚系統（圖1）。首先，團隊以天然水溶性殼聚糖季銨鹽（HACC）為基底，摻入多壁碳納米管（MWCNTs）與銀納米線（AgNWs）構建了一維雜化導電網絡，并采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）進行雙面真空層壓封裝，制備了全封裝的雙模態電子皮膚（HMA@P）。在此基礎上，為拓寬感知維度并抑制跨場串擾，團隊在基底單側定向集成單壁碳納米管/鈀納米顆粒/銅鈷雙金屬有機框架（SWCNTs/PdNPs/CuCo-MOF-74）復合氣敏層，成功構筑了具有“Janus”不對稱隔離結構的三模態電子皮膚（SPM/HMA@P）。該分層設計在結構上避免了頂層修飾對底層導電網絡的破壞，實現了物理（溫度、應變）與化學（氣體代謝）信號的空間解耦。

圖1. 具有Janus結構的SPM/HMA@P電子皮膚面向特定應用場景的封裝設計

在本研究中，團隊開發了一種能夠共形貼附于天然植物表面的多功能電子皮膚，實現了對植物生理狀態的無損、實時監測。通過自下而上的策略構建了具有三層架構的SPM/HMA@P電子皮膚，將高柔韌性、強粘附性、生物相容性、室溫氣敏特性及多模態感知能力集成于單一平臺。在全封裝構型下，該器件可同時作為溫度與應變傳感器，成功實現了對葉片表面溫度與生長動態長達5天的連續原位監測。其可靠地捕捉了植物的生長節律與溫度變化，證實了該器件在真實自然條件下追蹤植物生理狀態的適用性。另一方面，在面向氣敏應用的半開放構型下，SPM/HMA@P能夠實時監測果品釋放的乙烯氣體，在0.5–100 ppm范圍內展現出高靈敏度，檢測限低至0.5 ppm，為采后果品品質評估提供了切實可行的工具。結合卷積神經網絡（CNN），該系統對果品特異性的乙烯信號實現了高達96.8%的分類準確率，突顯了其出色的智能識別能力。本研究為植物可穿戴傳感器提供了全新的材料平臺與設計策略，在精準農業、智慧農業及高通量植物表型分析等領域展現出廣闊的應用前景。