一种具有时空特征融合网络的柔性阻抗-湿度双模传感器，用于现场肉类品质监测

《Sensors and Actuators A: Physical》：A Flexible Impedance-Humidity Dual-Modal Sensor with Spatiotemporal Feature Fusion Network for In-Situ Meat Quality Monitoring

鲜牦牛肉实时无损监测中湿度干扰问题被柔性阻抗-湿度双模传感器有效解决。该传感器通过MMCNs高灵敏度湿度层与蛇形银电极结合，同步获取界面湿度和组织阻抗数据，并基于双任务学习网络融合CNN提取的空间特征与Bi-LSTM捕捉的时序特征，实现97.14%的鲜度分类准确率和R2=0.9646的保质期预测精度。该研究为智能食品质量评估提供了新范式。

　　

何文豪|李诺|何江汉|池福民|张晓轩

中国农业大学工程学院食品质量与安全实验室，北京100083，中华人民共和国

摘要：

电极界面处的湿度干扰是限制柔性阻抗传感器在生物组织监测中稳定性的关键物理因素。为了解决这一问题，本文报道了一种用于牦牛肉原位环境监测的柔性阻抗-湿度双模传感器。该设备将改性的单分散介孔碳纳米球（MMCNs）作为高灵敏度湿度传感层，并将其与蛇形银电极集成在PET-ePTFE复合基底上。这种结构设计确保了在柔性变形下的机械强度，并能够同步获取界面湿度和组织阻抗。表征结果表明，MMCNs的定制孔结构促进了水分子的快速吸附-解吸动力学，实现了1.32秒的响应时间。为了有效利用这些数据，构建了一个基于时空融合的双任务学习网络。该模型没有使用简单的回归方法，而是利用交叉注意力机制融合了来自卷积神经网络（CNN）的局部空间特征和来自双向长短期记忆网络（Bi-LSTM）的长期时间依赖特征。实验验证表明，该系统的新鲜度分类准确率为97.14%，保质期预测决定系数（R2）为0.9646。本研究为智能食品质量评估提供了一个可靠的集成传感平台和多模态数据融合策略。

引言

近年来，由于其天然、无污染的特性以及优良的营养成分[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]，牦牛肉在高端肉类市场受到了越来越多的关注。然而，其高不饱和脂肪酸含量使得脂肪在加工和储存过程中容易氧化，导致质量下降、风味变差，甚至引发食品安全问题[7]、[8]、[9]、[10]。因此，开发一种能够实时无损监测牦牛肉质量变化的技术对于确保其市场价值和食品安全具有重要意义[11]、[12]。近年来，柔性可穿戴传感器在连续生理和环境监测以及智能包装方面取得了显著进展[13]、[14]、[15]、[16]。受这些柔性电子领域的前沿多模态和结构范式的启发，柔性传感技术逐渐为食品质量监测提供了新的可靠解决方案[17]、[18]、[19]。其中，柔性阻抗传感器由于其非侵入性和实时监测能力，在新鲜度评估方面展现了巨大潜力[20]、[21]。从根本上说，阻抗传感通过监测肉类变质过程中细胞膜破裂和细胞内电解质释放引起的介电变化来检测新鲜度。与典型的刚性传感器相比，刚性传感器要么会造成破坏性穿透，要么无法与不规则的肉表面保持贴合接触，而柔性传感器可以无缝粘附在组织上，确保非侵入性和稳定的信号采集。然而，在实际应用中，肉表面微环境的湿度波动会显著干扰阻抗信号的稳定性，限制了这项技术的可靠性和准确性[22]。

为了提高柔性阻抗检测技术在实际应用中的稳定性和准确性，研究人员开始探索各种解决方案[23]。例如，通过优化传感器设计、改进电极材料、采用抗串扰结构解耦策略[24]以及结合湿度补偿算法[25]、[26]、[27]来减轻微环境湿度波动的影响。此外，使用多频率阻抗测量和结合其他传感技术的混合传感方法也有助于提高检测系统的可靠性和抗干扰能力[28]。通过这些技术创新，柔性阻抗检测技术有望在食品行业中找到更广泛的应用，特别是在肉类质量控制和新鲜度评估领域[29]。

纳米材料的快速发展为解决湿度传感器设计中的挑战提供了新的方法[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]，实现了全打印和快速响应能力[36]。值得注意的是，最近的研究进一步证明了功能化纳米材料在高度敏感的挥发性气体检测[37]和先进的双模湿度监测[38]方面的巨大潜力。基于碳的纳米材料具有超高的比表面积，为传感器提供了更多的反应性界面，从而显著提高了其对环境湿度变化的敏感性[39]、[40]。介孔材料内的纳米级通道结构可以有效捕获水分子，提高传感器对微小湿度波动的响应能力[41]、[42]。此外，纳米材料的孔径分布可以精确调控[43]、[44]、[45]，从而在不同湿度范围内实现出色的检测性能[46]。这些独特的结构特性使介孔碳纳米球能够快速且可逆地吸附和解吸水分子，从而实现湿度的有效转换和准确测量。

除了提高灵敏度外，碳纳米材料的优异环境稳定性也是其在湿度传感应用中的关键因素[47]、[48]、[49]。许多纳米材料表现出出色的化学耐受性、热稳定性和抗老化能力，使它们能够在潮湿、酸性或碱性气氛以及有机溶剂等恶劣环境中使用。这种鲁棒性对于工业、农业和医疗领域的应用尤为重要[50]、[51]、[52]、[53]、[54]、[55]。

为了解决湿度干扰的瓶颈问题，本研究开发了一种基于改性MMCNs的柔性阻抗-湿度双模传感器。通过同步原位监测界面湿度和组织阻抗，该传感器利用实时湿度数据动态补偿和校正阻抗信号。这种方法有效解除了环境干扰，提取了更多反映肉本身质量变化的内在特征信息。这一策略显著提高了监测的可靠性，并为长期、稳定、在线和无损的新鲜牦牛肉质量监测奠定了技术基础。

材料与试剂

所有化学试剂，包括四甲基正硅酸盐（TMOS，98%）、蔗糖（99%）、氨水溶液（25%重量%）、硫酸（98%）、氢氟酸（HF，40%重量%）、硝酸（65–68%）、无水乙醇（99.5%）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP，分子量约40,000），均为分析级，购自上海AMORE生物技术有限公司（中国），无需进一步纯化即可使用。PET、ePTFE和PET-ePTFE复合薄膜由上海金友氟材料有限公司提供。

改性MMCNs的SEM结果

扫描电子显微镜（SEM）表征系统地揭示了改性介孔碳纳米球（MMCNs）在多个尺度上的形态和粒径特征。在低倍率视野下（图3a–c，放大倍数分别为500×、2000×和5000×），样品显示出大面积均匀分布，没有明显的硬团聚区域，反映了SiO?纳米球在硬模板方法中的空间限制效应。

结论

本研究成功设计并制造了一种用于实时原位监测新鲜牦牛肉储存过程中质量变化的柔性阻抗-湿度双模传感器。通过使用改性MMCNs作为湿度敏感层，并结合PET-ePTFE复合柔性基底和蛇形银电极，该传感器在机械灵活性、环境稳定性和湿度响应灵敏度方面表现出优异的性能。实验结果证实了

CRediT作者贡献声明

张晓轩：监督、资金获取。李诺：撰写——原始草稿、方法论、调查、概念化。何文豪：撰写——原始草稿、可视化、方法论、概念化。池福民：监督。何江汉：方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者衷心感谢西藏自治区科技计划项目（项目编号XZ202501ZY0137）的财政支持。

何文豪是中国农业大学机电工程专业的一名硕士研究生。他的研究方向是柔性智能传感和多模态数据融合。他于2024年获得中国农业大学机电工程学士学位。