研究背景

全球变暖、不可预知的降雨和恶劣天气等气候变化正在威胁农业生产力。为了应对这一挑战，智慧农业成为至关重要、极具创新的应对手段。基于复杂全面的数据管理系统，智慧农业可以直接获取精确的监测信息。虽然智能传感技术已被证明在室内农业，特别是在监测环境参数和植物健康方面很有成效，但将其扩展到室外环境仍处于实验阶段。因此，推动这一技术在室外环境下的发展，将满足具有成本效益农业技术的需求，并有助于广大未开发农田的发展，具有提高生产力和户外农业可持续能力的巨大潜力。

A Multifunctional Hydrogel with Multimodal Self‑Powered Sensing Capability and Stable Direct Current Output for Outdoor Plant Monitoring Systems

Xinge Guo, Luwei Wang, Zhenyang Jin, Chengkuo Lee*

Nano-Micro Letters (2025)17: 76

https://doi.org/10.1007/s40820-024-01587-y

本文亮点

1. 简单且可扩展：本文提出了一种简单且可扩展的水凝胶材料，具备多种功能，可实现自功能户外监测，适用于大规模精准农业应用。

2. 稳定的直流输出：该水凝胶材料能够稳定输出直流电，不依赖于随机或时变的环境能量，达到了1.36×10⁷ J/m³的能量密度，并在正常户外环境下连续工作56.25天。

3. 自供能的叶片相对水分监测和环境感知：该水凝胶用于非侵入式叶片相对水分监测及环境感知，能够评估植物健康状态，并在严酷环境下表现出高度的耐久性和自我修复能力。

内容简介

利用户外监测系统进行智能耕作对于解决粮食短缺和可持续发展挑战至关重要。目前在室外环境下，现有的能量收集器和自供能传感器通常都存在能源来源不稳定、在恶劣条件下耐用性低、材料不透明或生物不兼容以及结构复杂等问题。Chengkuo Lee等人开发了一种多功能水凝胶，它能满足上述所有要求，并能实现独自且可自我维持的户外监测功能。它可以作为一种稳定的能量收集器，在正常环境(24°C，60% RH)下持续产生直流输出，平均功率密度为1.9 W/m³，可持续工作近60天，能量密度约为1.36×10⁷ J/m³。在恶劣环境(45°C、30% RH)下连续运行近40天，并且也展现出良好的自我修复能力。此外，这种水凝胶还能对叶片的相对含水量进行非侵入式和自供能监测，提供评估植物健康状况的关键数据，而这些数据以前只能通过侵入式或高能耗方法获得。此外，它还具有应用于其他自供能环境中的潜力。这种多功能水凝胶能够满足可扩展、低成本、自维持户外系统的需求，为未来智能化农业提供技术支撑。

图文导读

I 多功能水凝胶总体介绍及应用前景

本文提出了一种多功能水凝胶，如图1a(i)所示。它主要由聚乙烯醇(PVA)/聚丙烯酰胺(PAAm)/氯化锂(LiCl)/甘油(Gly)离子水凝胶和Cu-Al金属对作为电极层组成，并充分研究了不同金属和水凝胶厚度的影响，以及相应的电化学模型。

图1. 多功能水凝胶助力未来智能农业的自我可持续户外植物监测系统。(a) 提出的自我可持续物联网系统的结构：(i) 离子水凝胶可以制造可扩展并附着在植物叶片上；(ii) 多功能水凝胶可以实现多模态传感，包括无创植物相对水含量传感来监测植物健康、阳光辐射监测和风速的环境传感；(iii) 离子水凝胶还可以作为能量收集器持续提供直流输出，为整个系统供电；(iv) 通过设计的低功耗单片机读取传感信号，并将其无线发送到云端，供农业决策者使用。(b) 针对未来不同环境下的户外智慧农业，提出的可自我持续的户外监控系统示意图。(c) 多功能水凝胶的制作过程示意图(详见实验部分)和(d) 成型后的水凝胶示意图。

该多功能水凝胶不仅可以作为自供能传感器监测阳光、风速等环境信号，而且首次实现对叶片相对含水量的无创监测，从而确定植物健康状况(图1a(ii))。此外，它还可以作为能量采集器，产生稳定的直流输出，为物联网系统供电(图1a(iii))。它的平均功率密度为1.9 W/m³，并且在正常环境(24°C, 60% RH)下连续通电60天也能保持该值，具有良好的耐用性。图1a(iv)呈现了一个自我可持续的物联网系统，以展示这种多功能水凝胶在未来智能农业户外植物监测领域的能力和应用(图1b)。此外，如图1c所示，该水凝胶具有简单且可扩展的一锅法制造工艺，使其易于在室外农业中大规模应用。最后，所提出的多功能水凝胶(图1d)具有自供能的多模态传感能力、无创植物健康监测能力、高耐久性和弹性，可作为在不可预测的室外环境中为物联网系统供电的稳定能源，并且其可扩展、低制造成本等特点，可能成为未来自供能可持续环境监测的理想选择。

II 多功能水凝胶电极的优化

不同金属对的PVA/PAAm/LiCl/Gly离子水凝胶器件的表征如图2所示。有必要找到优化的结构，使其能够同时作为电源和自供电传感器，具有高输出、良好的信噪比和快速的响应时间。图2a在器件两侧放置不同的金属对，以刺激离子水凝胶产生稳定的电位。这种反应随所应用金属的不同而不同，因此具有不同的净电池电位、阻抗和响应特性。文中使用Al、Ni、Zn、Cu、Ag和Mo中的两种金属作为水凝胶两侧的金属对(阴极-阳极)。图2b以Cu-Al金属对为例，可以注意到，当器件连接到电路上时，需要一定的时间才能达到其稳定电位。这种建立时间因不同金属对的特定电容特性和交换电流密度而异。图2c显示出，当选择Cu作为阴极时，一些金属如Ni、Mo和Ag，显示负开路电位。然而，在实际应用中，这种行为不会影响使用，只是简单地改变电线连接的极性。因此，为了进一步比较，本文只考虑它们的绝对值，如图2d所示。

此外，本文提出了一个电化学模型(图2e)来研究PVA/PAAm/LiCl/Gly离子水凝胶和Cu-Al金属对作为电极的基本特性，金属电极和水凝胶电解质之间的两个界面由相应的两个Randels电路描述。最后，本文给出了铜铝金属对多功能水凝胶的建模和实测结果(图2f)。

图2. 多功能水凝胶的基础研究与优化。(a) 离子水凝胶的结构和界面示意图，两侧有金属对；(b) 以Cu-Al金属对为例(PVA/PAAm/LiCl/Gly离子水凝胶两侧的Cu为阴极电极，Al为阳极电极)，离子水凝胶在连接外部负载时可以建立稳定的电位。建立速率(即建立时间的倒数)和电位的大小决定了多功能水凝胶的性能；(c) 以Cu为正极材料和不同金属为负极材料的多功能水凝胶饱和电位的比较；(d) 采用不同金属对制备多功能水凝胶的绝对饱和电位输出和建立速率的比较。与其他金属对器件相比，铜铝金属对器件具有最大的饱和电位和最快的建立速率；(e) 器件对应的电化学模型；(f) 电化学阻抗谱(EIS)测量得到的Cu-Al金属对多功能水凝胶的特性及其与所提出的电化学模型的比较：(i) 各频率下阻抗绝对值的Bode图；(ii) 各频率下的相位Bode图；(iii) 实测结果与建模结果的Nyquist图。

III 基于水凝胶的能量采集器

在多功能水凝胶中离子和电极之间的氧化还原反应(如图3a)，能够产生稳定连续的直流输出(如图3b)，这可以为物联网系统提供所需的电源。除了金属对的选择外，离子水凝胶的厚度也影响着能量采集器的输出性能，尤其是匹配电阻和功率密度。因此，对这些性能进行评估以确定最佳厚度。图3c、d为300 μm厚度离子水凝胶的表征结果。随着负载电阻的增加(从18.6246到3.708 MOhm)，测量电压持续增加(从61.6 mV到571 mV)，接近其开路饱和电位，输出功率在匹配电阻186.617 kOhm处达到最大值。图3e-g描述了不同厚度的水凝胶基能量采集器匹配电阻、饱和输出电位和平均功率密度的比较。如图3e所示，不同水凝胶厚度的开路电位变化最小，这是因为开路电位主要由化学反应决定，而不是由水凝胶的厚度决定。然而，匹配电阻和平均功率密度确实随厚度的变化而波动。在初始阶段，随着离子水凝胶厚度的增加，其中的离子数量也相应增加，这导致电流的增加。然而，随着厚度的继续增加，水凝胶电解质内部离子通道的长度也会增加，这对离子的运动造成了阻碍，导致随后的电流减小和匹配电阻的增加。如图3e、g所示，为了协调离子量和离子通道长度的影响，可以注意到300 μm厚的水凝胶表现出最有利的平衡。与本文考虑的其他厚度相比，该厚度显示了最低的匹配电阻和最高的平均功率密度。

为了评估水凝胶基能量采集器的长期性能，本文测试了其在正常室外环境下(24℃，60% RH)近两个月的耐久性能。如图3h所示，选取这两个月平均功率密度和匹配电阻的方差作为评价能量采集器性能最直接的两个参数。可以看出，水凝胶基能量采集器的匹配电阻和平均功率密度在最初的3天内都有一定的波动，但逐渐趋于稳定并保持一致的性能直到最后，证明了其供电能力的良好耐久性和稳定性。图3i提供了最初3天内平均功率密度和匹配电阻变化的详细信息。同时，该能量采集器也在高温和干旱条件的模拟环境下进行了37.76天的测试，如图3j所示。

图3. 多功能水凝胶输出性能的表征及其在极端环境下的耐久性和弹性。(a-d) 厚度为300 μm的水凝胶能量采集器输出性能的表征：(a) 水凝胶能量采集器的示意图。离子和电极之间的氧化还原反应为电子流动创造了稳定的电位；(b) 连接到匹配电阻时产生的连续直流输出；(c) 不同负载电阻下输出电压和(d)平均功率密度的变化；不同厚度水凝胶基能量采集器的(e)饱和开路电压、(f)匹配电阻和(g)平均输出密度性能对比；(h) 能量采集器在室外正常环境下连续运行56.25天的输出性能衰减监测；(i) 能量采集器放置在正常环境下的示意图，并附有前三天的输出性能变化；(j) 能量采集器在恶劣环境下连续运行37.67天的输出性能衰减监测；(k) 能量采集器放置在干旱环境下的示意图，以及部分输出性能变化；(l) 能量采集器放置在高湿环境下的示意图，以及部分输出性能变化。

基于水凝胶的能量采集器连接到一个4 F的超级电容器，以保持在工作模式并产生电力。这种恶劣的环境会导致水凝胶的失水增加，从而降低其离子迁移率，造成匹配电阻的增加和平均功率密度的降低(图3k)。但在高湿环境下(24℃，99% RH)，如雨天，水凝胶能自动吸收周围环境中的水分，恢复到正常状态。这反过来又会导致匹配电阻的降低和平均功率密度的增加(图3l)。从图3h到图3i可以看出，能量采集器的功率密度在大多数时候可以被认为是稳定的，没有突然和不可预见的突然变化。甚至在极端环境下，输出性能的显著波动仍然遵循可预测、在较长时间内接近线性的规律(图3j-l)。

IV 无创叶片相对含水量监测

图4a说明了基于水凝胶的传感器是如何附着在叶片表面以监测叶片的相对含水量。其中，铜电极被放置在水凝胶的顶部，因为它是化学反应发生的主要界面，产生静态电位，使传感系统自供能；铝电极位于水凝胶周围，与叶子表面接触。在这种结构中，水凝胶和叶子作为一个完整的电解质，其中电荷从铜电极流过水凝胶到叶子，然后到铝电极。进一步引入叶片后该体系的电化学模型如图4a所示。图4b将实际测试结果与模型预测结果进行了对比，可以看出所提出的模型与测量结果十分吻合，证明了其高效性。同时，这些结果也证明，整个树叶被成功引入系统，传感器可以在不侵入树叶的情况下提取其特征。与传统方法相比，这种低成本、可扩展的自供电相对含水量监测方法更容易应用于大规模室外物联网系统(如图4c所示)。图4d-g展现了，水凝胶传感器被用于测量四种不同的植物，以验证监测叶片相对含水量的可行性。图4d-g(i)表明，在叶片特定的相对含水量下，水凝胶传感器的输出电压保持稳定。图4d-g(ii)显示了不同相对含水量下叶片输出电压的结果，随着对含水量的增加，水凝胶传感器的输出电压也在增加。

图4. 基于多功能水凝胶的自供电无创叶片相对含水量监测。(a-c)离子水凝胶可直接附着在叶片上，以及修改后的电化学模型的基本特征：(a) 截面图显示水凝胶直接与叶片接触，将叶片引入整个系统以及相应的电化学电路；(b) 建模结果与实际测量结果比较；(c) 演示了非侵入式叶片相对含水量传感如何应用于未来户外物联网监测；(d-g) 基于离子水凝胶自生电位变化的不同类型叶片((d)蜘蛛百合、(e)海芙蓉、(f)旱区桃花心木和(g)普通鹅掌楸)的相对含水量测量结果，其中，(i) 显示5秒内获得的数据具有良好的稳定性，(ii) 显示线性拟合结果。

V 植物长期监测

为了证明相对含水量监测系统的应用能够为户外环境中的智能农业提供有用信息，本文采用了三种不同的长期监测场景。这三种场景包括植物健康生长的正常环境(如图5a、b)和需要人工干预保护植物的两种恶劣环境(如图5c-f)。在刺激环境下，将四个基于水凝胶的传感器附着在植物的四片不同叶子上以监测相对含水量，并将一个水凝胶放置在植物附近的环境中作为对照组。图5b模拟了正常环境下(24°C，60% RH)，四片叶子的传感电压在48 h内保持稳定，表明植物处于健康生长状态。为了手动模拟炎热和干旱环境，从实验开始到结束，将一盏400 lm白炽灯悬挂在植物上方40 cm处，以直接对植物产生炎热和干旱胁迫。如图5d所示，附着在四片叶子上的传感器的输出电压在保持稳定约4 h后开始大幅下降，这表明在如此恶劣的环境中4 h后，植物本身开始无法保持其水分含量，处于干旱胁迫状态。为了手动模拟涝渍环境，本文每12 h给植物浇水一次，提供的水量远远超过其正常生长所需的水量。图5f展现出在48 h内，附着在四片叶子上的基于水凝胶的传感器的输出电压逐渐超过正常的相对含水量值，这表明叶子的相对含水量超过正常水平，提醒需要改善排水并垫高土壤。

图5. 多功能水凝胶在三种环境下对叶片相对含水量进行长期IoT监测。(a) 正常环境下放置在植物上的水凝胶示意图；(b) 植物上四片叶子的信号保持稳定48小时，意味着植物正在健康生长，不需要干预；(c) 干旱和高温环境中的植物示意图；(d) 4小时后叶子信号开始下降，意味着植物极度缺水，需要浇水；(e) 极端洪水条件下的植物示意图；(f) 6-12小时后叶子信号开始增加，意味着需要改善排水并抬高土壤。

VI 户外物联网智能农业系统

如图6a所示，将八个水凝胶基能量采集器串联起来可将其输出电压提高到约4 V，从而能够直接为通常在3.3 V下工作的传统物联网传感器供电。此外，该系统还具有自动充电控制电路，其详细组件如图6b所示。该电路中，基于 LM393D低功耗比较器的施密特触发器用于监测500 μF电容器两端的电位差，进而切换输出电压。该调节控制MOSFET的导通和截止，从而控制电容器的充电和放电回路。图6c展现了该电路中应用的500 μF电容器的充电曲线。图6d提供了电源曲线的放大视图。当充电至3.2 V后，自动控制电路允许电容器为物联网传感器和蓝牙模块供电；当电容器电压降至2.9 V以下时，施密特触发器将确保电容器再次进入充电阶段，在此期间水凝胶将对电容器进行充电，确保电压升至3.234 V以上后再放电。在这个系统中，水凝胶可以充电180 s，使系统运行 5 s，从而将环境温度和湿度信息传输到移动设备。

通过不同的设置，多功能水凝胶还可以充当多模自供电环境传感器，例如风速传感(图6e-g)和阳光传感(图6h-k)。当它作为自供能风速传感器时，如图6e所示，顶部的铝电极并未完全粘附在水凝胶上，而只粘附了水凝胶的一侧，有风时可以分离。在无风条件下，它的行为与之前的设备类似，因为它与离子水凝胶接触，产生稳定的电压输出(如图6f)。当风吹来时，铝电极和叶子表面的水凝胶分离，导致输出电压降至接近零。基于这样的操作，不同的风速会给输出电压引入不同的频率响应，如图6g中的时频分析所示。此外，该多功能水凝胶还可用于阳光感应，只需将上层涂成黑色即可吸收光辐射(如图6h)。随着暴露在阳光下的时间增加，设备的温度会升高(如图6i)。温度升高会增强离子迁移率，从而降低传感器的阻抗，同时保持恒定的开路电压。因此，固定负载读取的输出电压会随着闪电时间的增加而增加，从而实现自供电阳光感应(如图6j)。同时，感测到的电压也与照明时间呈现出良好的线性相关性(图6k)。

图6. 基于多功能水凝胶的自维持物联网户外植物监测系统。(a-d) 由多功能水凝胶供电的带有自动充电电路和商用温湿度传感器的自维持物联网监测系统：(a) 通过级联多片多功能水凝胶可以增加功率输出；(b) 实现自动充电控制的电路图；(c) 电容器的充电和供电曲线：电容器约180 s即可充满电；(d) 充电后，电容器可工作约5 s为整个系统供电；(e-p) 由多功能水凝胶实现的自维持多模态环境感知和植物健康监测系统：(e) 多功能水凝胶用作自供能风速传感器的示意图；(f) 不同风速下传感器的输出电压；(g) 传感信号的时频分析；(h) 多功能水凝胶作为自供电阳光传感器的示意图；(i)设备温度随照明的变化曲线；(j) 在特定照明时间下产生的输出电压图；(k) 感测到的输出电压随照明时间的变化；(l) 基于多功能水凝胶的多模自维持室外监测系统图；(m) 从多功能水凝胶传感器收集自生信号的MCU的无线通信图；(n) 40块级联水凝胶对10 mF 电容器充电 6 h的示意图；(o) 充电6 h后，系统工作20 s的电压变化图；(p) 阳光、风速和植物状态的信息通过无线通信传输到主机示意图。

最后，完全基于这种多功能水凝胶，可以实现用于户外智能农业应用的自维持物联网多模态监测系统(图6l)。在该系统中，多功能水凝胶自发的信号由设计的低功耗微控制器单元(MCU)收集，如图6m所示。将40片水凝胶串联起来，为10 mF电容器充电，从而为整个系统供电(如图6n)。图6o表明充电6 h后，电容器可达到约13 V，足以为低功耗MCU供电约20 s。未来可以通过更多级联水凝胶或优化电路设计进一步提高系统性能，基于此可以监测环境是否有利于植物生长或植物是否处于健康生长状态，如图6p所示。

VII 总结

该工作制备了一种多功能水凝胶，该器件以PVA、PAAm、LiCl、Gly组成的生物相容性透明离子水凝胶为基础，以Cu-Al金属对为电极层，可自发产生稳定电位。这种稳定、连续的直流输出可更有效地为商用物联网设备供电，平均功率密度达1.9 W/m³，并且在正常环境下，该输出功率可维持56.25天，连续为超级电容器供电，能量密度达1.36×10⁷ J/m³。同时，面对恶劣环境，该器件具有自修复性能，并且在近40天的13次疲劳和恢复循环后依然能保持。实验结果表明，除了充当稳定的电源外，该多功能水凝胶还能实现实时、自供电、非侵入式的叶片相对含水量监测，这为评估植物的健康状况提供了重要信息。此外，由于其可扩展的制造能力和低成本的特性，文章最后展现了仅通过多功能水凝胶就完全实现了一个具有自供能植物监测和环境风速传感的自给自足户外物联网系统。总体而言，这种多功能水凝胶具有稳定发电、多模自供能传感和高耐久性等优点，而且在各种环境下能实现自修复性、可扩展性和生物相容性，在户外智能农业领域具有广泛应用的巨大潜力。

作者简介

Chengkuo Lee

本文通讯作者

▍主要研究领域

用于消费应用和环境监测的光学红外微机电系统；基于自供能可穿戴和物联网传感器的人机界面；三电和压电能量收集器；用于植入应用的生物材料医学微纳机电系统传感器；纳米光子学；太赫兹超材料；微流控和片上实验室；用于透皮给药的微纳技术；用于神经接口研究和神经细胞表征的设备和仪器等。

▍个人简介

电子与计算机工程系副教授。于1991年、1993年和1996年获得材料科学与工程系理学硕士学位、美国新泽西州新布伦瑞克罗格斯州立大学工业与系统工程系理学硕士学位和日本东京大学精密工程系博士学位。1993年至1996年，在东京大学先进科学技术研究中心纳米级制造科学实验室担任外国研究员。1996年，作为JST研究员在日本工业技术省AIST机械工程实验室工作。此后，成为台湾新竹工业技术研究院微系统实验室的高级研究员。1997年9月，加入台湾新竹的Metrodyne Microsystem Corporation，成立了微机电系统设备部，并建立了台湾第一座商业微加工工厂。1998年，在台湾新竹交通大学电子物理系担任兼职助理教授；2001年至2005年，在台湾中兴大学精密工程研究所担任兼职助理教授。2001年8月，与他人共同创立了亚太微系统有限公司(APM)，先是担任研发副总裁，后担任光通信事业部副总裁和首席执行官特别助理，负责MEMS代工服务的国际业务和技术营销。合著了《Advanced MEMS Packaging》(McGraw-Hill，2010年)一书。撰写了200多篇国际会议论文和扩展摘要，以及145篇经同行评审的国际期刊论文。谷歌学术引用超过39000次，H指数为106。

▍Email：elelc@nus.edu.sg

撰稿：《纳微快报(英文)》编辑部

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 JCR IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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