近日，陕西科技大学生物质与功能材料研究所刘新华教授与姜慧娥副教授联合开发出一种具有“Janus”不对称隔离结构的多模态柔性电子皮肤（SPM/HMA@P），实现了对植物多模态生理表型参数的原位、精准监测以及采后果品的高精度分类，为智慧农业中的作物状态连续追踪与品质评估提供了全新策略。

  2026年3月12日，相关成果以“Conformable Plant-Attachable Janus E-Skin with Sandwich Architecture for Plant Multimodal Phenotyping”为题发表在Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.74881）上。陕西科技大学硕士研究生邢龙为本论文的第一作者，通讯作者为陕西科技大学轻工科学与工程学院的姜慧娥副教授和刘新华教授。

  准确获取植物的生理与代谢状态是现代农业水肥管理和病害早期预警的基础。然而，传统的刚性监测设备易对脆弱的植物组织造成机械损伤。同时，常规柔性传感器在农业微生境复杂的高湿环境中极易发生信号漂移，且在多重生理信号同步采集时存在严重的跨物理场串扰问题，难以实现原位、精准的多模态监测。因此，开发兼具高界面顺应性、抗湿干扰且能有效解耦多物理/化学信号的柔性传感器，对于植物表型的系统性评估至关重要。

  该研究团队通过将天然生物基聚合物与柔性电子技术及人工智能算法相结合，提出并构建了一种具有空间解耦结构的多模态柔性电子皮肤系统（图1）。首先，团队以天然水溶性壳聚糖季铵盐（HACC）为基底，掺入多壁碳纳米管（MWCNTs）与银纳米线（AgNWs）构建了一维杂化导电网络，并采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）进行双面真空层压封装，制备了全封装的双模态电子皮肤（HMA@P）。在此基础上，为拓宽感知维度并抑制跨场串扰，团队在基底单侧定向集成单壁碳纳米管/钯纳米颗粒/铜钴双金属有机框架（SWCNTs/PdNPs/CuCo-MOF-74）复合气敏层，成功构筑了具有“Janus”不对称隔离结构的三模态电子皮肤（SPM/HMA@P）。该分层设计在结构上避免了顶层修饰对底层导电网络的破坏，实现了物理（温度、应变）与化学（气体代谢）信号的空间解耦。

图1. 具有Janus结构的SPM/HMA@P电子皮肤面向特定应用场景的封装设计

  在本研究中，团队开发了一种能够共形贴附于天然植物表面的多功能电子皮肤，实现了对植物生理状态的无损、实时监测。通过自下而上的策略构建了具有三层架构的SPM/HMA@P电子皮肤，将高柔韧性、强粘附性、生物相容性、室温气敏特性及多模态感知能力集成于单一平台。在全封装构型下，该器件可同时作为温度与应变传感器，成功实现了对叶片表面温度与生长动态长达5天的连续原位监测。其可靠地捕捉了植物的生长节律与温度变化，证实了该器件在真实自然条件下追踪植物生理状态的适用性。另一方面，在面向气敏应用的半开放构型下，SPM/HMA@P能够实时监测果品释放的乙烯气体，在0.5–100 ppm范围内展现出高灵敏度，检测限低至0.5 ppm，为采后果品品质评估提供了切实可行的工具。结合卷积神经网络（CNN），该系统对果品特异性的乙烯信号实现了高达96.8%的分类准确率，突显了其出色的智能识别能力。本研究为植物可穿戴传感器提供了全新的材料平台与设计策略，在精准农业、智慧农业及高通量植物表型分析等领域展现出广阔的应用前景。

图2. SPM/HMA复合薄膜的形态与结构表征

图3. 全封装构型下SPM/HMA@P电子皮肤的力学性能与生物相容性

图4. 全封装构型下SPM/HMA@P电子皮肤的温度传感特性表征

图5. 全封装构型下SPM/HMA@P电子皮肤的应变传感性能

图6. 半开放构型下SPM/HMA@P电子皮肤的气敏特性表征

图7.使用全封装构型SPM/HMA@P电子皮肤对非生物胁迫下叶片表面温度与生长的原位监测

图8. 使用半开放构型SPM/HMA@P电子皮肤对果品成熟度的监测

  感谢国家自然科学基金（22278257和22578259）、陕西省重点研发计划项目（2024SF-YBXM-586）、陕西省创新能力支持计划项目（2024ZCKJXX-005）等对本工作的大力支持！

  原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.74881