柔性传感器研究进展与展望

【摘要】   智慧农业在近年来迅速发展，监测精确性和生物安全性方面农业传感器有了更高的要求。为实现对农作物的精确检测，较传统的刚性传感器不便于与植物粘合，植物柔性传感器其具与之相备生物相容性和力学特性，在农业领域引起了广泛关注。文章综述了三大类柔性传感器：电容式、电阻式、压电式柔性传感器的原理结构，介绍了对柔性传感器的制作过程各结构的材料并重点阐述了任柔性传感器基底特点、性能。最后，对植物柔性传感器在智慧农业领域中的应用情况予以总结，并对其未来发展展开展望，为依托植物柔性传感器及其配套传感网络构建的智慧农业管理系统，提供具有价值的参考依据 。

【关键词】 智慧农业；植物柔性传感器；基底材料；PDMS；氧化石墨烯

引言

在现代科技融合背景下，智慧农业作为新型农业形态逐步兴起，有效降低人力成本并提升经济效益，成为现代农业发展的必然趋势。传感技术是智慧农业的核心支撑。然而，传统农业传感器多采用刚性结构，常与植物形态不匹配，影响作物生长甚至造成损伤，难以满足长期、原位、连续监测的技术需求。随着材料科学与传感技术的革新，柔性传感器因其柔韧性、延展性及生物相容性特征而备受关注。目前，已开发出多种植物柔性传感器，用于监测植物生理信息，如温度、湿度、照度等。这些传感器的出现，为智慧农业提供了有力支撑，为农业管理提供了更真实、直观的数据反馈，助力即时做出有效决策。

一、柔性传感器的工作原理

随着柔性电子技术在各个领域受到更多的关注度，柔性传感器的研制水平也得到了极大的提升，各种基底材料、形态、制造技巧和方法也开始被研究发现，以此满足各种应用场景的使用和要求。柔性传感器根据信号转换机理主要分为三大类：电容式、电阻式、 压电式。根据是否进行物理接触或连接可以分为接触式和非接触式。

1.1 电阻式柔性传感器

当柔性传感器受到外力作用时，其内部的导电网络结构会发生改变。以基于碳纳米管的柔性压阻传感器为例，在压力作用下，碳纳米管之间的接触点增多或间距减小，电子传输路径发生变化，从而导致电阻值相应改变。对于一些由导电颗粒分散在绝缘基体中的复合材料制成的传感器，受力时导电颗粒之间的距离会发生变化，当距离减小到一定程度，导电颗粒之间形成更多的导电通道，电阻降低；反之，电阻增大。

1.2 压电式柔性传感器

当压电式柔性传感器受到外力作用时，其内部的压电材料会发生机械变形，导致材料内部的正负电荷中心相对转移，从而在材料的两个相对表面上产生符号相反的束缚电荷，且其电位移与外应力张量成正比。当外力消失时，材料又恢复到不带电的原状；当外力方向改变时，电荷的极性也随之改变。

1.3 电容式柔性传感器

电容式柔性传感器是在柔性电极中间加上一层具有微结构的介质材料，其具有可变形、可弯曲的特性，并且其电解质常数会随环境因素的变化而改变，如温度升高时，电解质材料内部的分子热运动加剧，分子的极化程度可能发生改变，从而使电解质常数增大；反之，温度降低，电解质常数可能减小。对于湿度而言，当环境湿度增加，电解质材料吸收水分，水分的介入会改变材料内部的电荷分布和电场情况，进而使电解质常数发生变化，常见的有聚合物电解质、凝胶电解质等。

二、柔性传感器的材料

2.1 基底材料

柔性传感器基底对功能感知结构和电极电路提供机械支撑。传统电子器件采用刚性基底，而柔性器件则要求基底具有拉伸性和弯曲性。可拉伸基底材料，如PDMS、共聚酯、聚氨酯等，拉伸度可达20%以上。其中，PDMS因杨氏模量低、拉伸性大、恢复快、光学透明度高、化学惰性好、生物相容性良，成为植物柔性传感器中广泛使用的基底材料。共聚酯伸长率可达900%，弹性模量接近人体皮肤，适用于制备大拉伸效果的传感器。聚合物薄膜如PET、PI、PEN等韧性高、厚度小，但拉伸效果相对较差。此外，还有特殊基底材料如甲壳素、壳聚糖等，具有生物降解特性。植物柔性传感器的基底材料除需具备可弯曲或可拉伸性外，还需结合实际需求，如叶片传感器要求透光、透气，植物生长监测传感器要求延展性、黏附性。这些特性使得基底材料的选择对于植物柔性传感器的性能和应用至关重要。

2.2 功能感知敏感材料

近年来，随着材料科学的不断进步，各种不同类型的纳米材料得到了广泛的应用。其中应用最广泛的有：零维纳米材料，指颗粒直径在1-10nm之间的材料，包括金属氧化物颗粒、金纳米颗粒与富勒烯等；

先进的碳基材料，如炭黑纳米颗粒（CBNP）、碳基纳米纤维、石墨烯和碳纳米管（CNT），具有独特的优势，包括高化学稳定性和热稳定性以及良好的导电性。碳基材料的功能化也很容易，这使其在可穿戴电子产品和应用中具有巨大潜力。

2.3 导电电路材料

导电材料方面。在传统导电电路中，铜是一种使用最广泛的导电材料。这是因为铜具有优良的导电性能，其电阻率较低，抗氧化性能强，且易于加工和成型。同时，铜也具有良好的可靠性和耐久性，可以在极端温度和湿度环境下保持良好的性能表现。除此之外，铜材料成本相对较低，易于获取和加工，使其成为传统导电电路中最受欢迎的导电材料之一。但是，在柔性电子领域，由于其较硬的性质，铜材料的应用受到了很大的限制。

为了改进铜等金属导电材料较硬的问题，有学者提出“液态金属电子学”的概念，如导电油墨以其良好的柔性、弯曲稳定性及导电性，使其在柔性电路领域得到越来越多的重视。其中许刚等人将AgNWs、乙醇和松油醇按照7：1：2的比例混合制作了AgNWs导电油墨，通过丝网印刷的方式在柔性基底上形成可拉伸电路图案，然后将碳油墨和 Ag/AgCl 油墨印刷在指定电极区域形成工作电极、参比电极和对电极。

四、存在问题与展望

在植物研究与农业生产中，应用于植物的柔性传感器仍然存在一些问题。一方面，稳定性欠佳。植物生长环境复杂多变，温度、湿度、光照等条件时刻在变，这导致柔性传感器性能波动，例如对植物生理参数的测量出现偏差，影响数据的准确性与连续性。另一方面，传感器与植物的兼容性仍有成长空间。在长期监测过程中，可能因对植物组织产生刺激或阻碍植物正常生长，致使测量难以长期稳定进行。此外，目前这类传感器成本偏高，不利于大规模推广应用于广袤农田。

在未来的研究方向中最为关键的是更稳定的柔性传感器材料，使其能在复杂环境中保持高精度测量。优化传感器设计，增强与植物的亲和性，确保长期无损监测。同时，降低生产成本，通过规模化生产与技术创新，让柔性传感器得以广泛应用于农业，助力精准农业发展，实现对植物生长状态的实时、高效、低成本监测，提升农作物产量与质量。

参考文献：

[1] 兰玉彬，赵德楠，张彦斐，等. 生态无人农场模式探索及发展展望[J]. 农业工程学报，）

[2] 吴海峰，苗洁. 新型农业现代化探讨[J]. 农村经济，2013（2）：24-27.

［3］钟翔君，杨丽，张东兴，等.四端法土壤电导率原位快速检测传感器设计与试验[J].农业工程学报，2021，37（09）：90-99.

作者简介：姓名，出生年月，性别，民族，籍贯（省市），学历， 职称，研究方向

王宇（2000.11.4），男（汉族），济南市，济南大学，职称：；研究方向：机械工程。