摘要
冷鲜肉储运业务流程中的包装环境狭小且变化复杂，极易造成高蛋白易腐肉类新鲜度的变化不可控，这对于多参数、高精度传感提出了需求，而柔性多模态传感器的开发提供了相应解决路径，目前已成为柔性电子领域的一个主流发展方向。然而，受限于材料、结构工程及配套工艺，现有多模态器件多集中于双通道物理型参数感知，难以做到材料学、电气性能、感知机理的互联解析。而多模态解耦机制作为关键技术难点之一经常被忽视，缺乏规范化的深入解析，极大阻碍了柔性多模态传感技术的融合应用。对此，本研究开发了面向冷鲜肉品质感知的无串扰环境/物化多模态传感系统，实现了多模态的完全解耦，进行了全面的表征分析、性能测试及机理解析，可用于实时无损的冷鲜肉表面温度、电阻抗及环境内氨气浓度数据的并行获取，在智慧农业场景中展现出较大的应用潜力。 （1）分析了冷鲜肉品质变化及相应感知机理，进而明确了柔性多模态传感器开发需求，阐述了开发过程关键技术节点，并对器件及整体试验方案进行了设计。选定温度、电化学阻抗、挥发氨浓度作为柔性环境和物化感知参数以应对冷鲜肉动态无损品质感知需求，相应明确了以还原氧化石墨烯（rGO）、激光诱导石墨烯（LIG）、MXene-Ti3C2Tx改性聚苯胺（PANI）为代表的多材料感测体系及响应机制组合设计,结合平面、双层组合器件架构实现了交叉灵敏度的抑制。 （2）基于平面、多传感单元设计策略开发了基于石墨烯材料的无串扰柔性温度/阻抗共形感知器件。利用有限元仿真结合正交实验对激光诱导参数进行了优化，获得了5‰的雕刻精度及高阻抗重复性。提出激光辅助热还原工艺在聚合物薄膜表面成型rGO基温敏感层，具有0.526％℃-1的较高灵敏度及13/6.5s的短响应/恢复时间。在温度传感单元开发过程进行了微观形貌、元素含量及碳材料结构分析，探明了感温机理取决于热激活以及最近邻跳跃传输。并通过弯曲循环和温度串扰测试验证了器件的无串扰传感能力。结果表明所开发的器件可用于冷鲜肉表面温度及阻抗的高精度共形感知。 （3）制备了柔性电阻型氨气传感单元并配置了温度解耦单元，构建了温度解耦模型，实现了宽温度区间内的高精度冷鲜肉挥发氨浓度监测。对PANI进行聚合改性实现了PANI/Ti3C2Tx杂化气敏材料的成功制备，并基于磁控溅射、滴注等工艺在PET基底上快速构建了氨气传感单元，得到了18.102％ppm-1的灵敏度、49/307s的响应/恢复时间及高重复性、弯曲稳定性、选择性。该过程中优化了Ti3C2Tx浓度参数并分析了增强的氨气感知机理，材料表征和电气性能测试结果相互匹配。建立了0-30℃范围内器件电阻响应、温度和氨气浓度间的三维曲面，得到0.99的高拟合优度，结合温度传感单元标定方程实现了温度的解耦。结果表明成功制备了适应宽温湿度区间的可靠柔性电阻型氨气感知器件。 （4）完成了柔性环境/物化多模态感知系统的前后端集成，传感数据融合机器学习模型实现了高精度新鲜度评估以及腐败预警功能。将上述柔性器件一体集成为35×45×0.3mm3的小型化多模态感测平台，并配套设计了电阻电压转换电路以及高精度阻抗转换电路用于数据的读取及处理。基于电阻抗数据以及SVM机器学习模型实现了93.07％精度的冷鲜鱼肉新鲜度三分类，融合BPNN模型进行货架期预测，得到RMSE仅0.1194。将挥发氨浓度数据导入Bi-LSTM深度学习模型中进行时序预测，结合多模型单步预测策略，在腐败初期的挥发氨浓度预测中RMSE仅0.073ppm。结果表明成功开发了高精度、低成本、多功能且应用广泛的无串扰柔性环境/物化多模态感知系统。
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