《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：An superlow-cost bacterial cellulose-based humidity sensor integrated with machine learning for real-time monitoring of fruit freshness
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摘要在现代食品供应链中，实时监测水果新鲜度仍是一个重要且尚未解决的难题。传统传感技术往往存在能耗高、环境适应性差以及实用性有限等问题。本文介绍了一种基于细菌纤维素/聚酰亚胺双层结构的低成本、可持续的湿度响应传感器，该传感器能够将环境中的湿度变化转化为可测量的机械变形。利用细菌纤维
摘要
在现代食品供应链中，实时监测水果新鲜度仍是一个重要且尚未解决的难题。传统传感技术往往存在能耗高、环境适应性差以及实用性有限等问题。本文介绍了一种基于细菌纤维素/聚酰亚胺双层结构的低成本、可持续的湿度响应传感器，该传感器能够将环境中的湿度变化转化为可测量的机械变形。利用细菌纤维素的吸湿性和聚酰亚胺的疏水性，这种双层结构在不同的相对湿度下会产生明显的弯曲变化，从而实现快速、被动且低能耗的传感。通过将光学图像采集与基于视觉几何组深度学习模型相结合，这些由弯曲程度衍生的信号可进一步转化为有用的水果新鲜度信息，其在“新鲜”“中等”和“变质”三种状态下的分类准确率可达94%。这项工作提出了一种将材料科学与机器学习相结合的无接触传感方法，为智能食品监测提供了可扩展的解决方案。所设计的基于细菌纤维素的传感器为下一代包装应用中的可持续、低功耗且智能化的新鲜度评估提供了一种新策略。
引言
全球水果供应链日益复杂且范围不断扩大，这使得易腐烂的水果在运输和储存过程中更容易受到环境变化的影响。即便是储存条件出现轻微变化，也可能会加速品质下降，从而导致巨大的经济损失和食物浪费。在各种外部因素中，温度和相对湿度是决定水果品质变化的主要因素，它们会影响水果的呼吸作用、蒸腾作用、质地软化、香气保持以及微生物生长等关键生理过程。有研究指出，仅3-10%的重量损失就足以导致水果出现可见的品质劣化，如萎蔫、表面起皱以及新鲜度下降，而过高的湿度则会促进凝结现象并加速微生物腐败[1]、[2]、[3]。对于草莓、猕猴桃和苹果这类呼吸作用较强的水果，其蒸腾速率往往超过传统包装薄膜的水蒸气传输能力，从而导致包装内的相对湿度迅速升高直至饱和。在现实的供应链条件下，这种饱和状态可能在1-2天内出现，进而引发凝结现象，大大增加真菌污染的风险[2]、[3]。因此，相对湿度不应仅仅被视为一个环境参数，而应是反映水果新鲜度的关键动态指标。
尽管存在如此明确的机制关联，但在商业水果物流中实现实时相对湿度监测仍然十分罕见。目前大多数新鲜度检测方法均为定性、比色或针对特定气体的检测方式，只能提供延迟或间接的品质恶化信号[4]、[5]。而定量电子湿度传感器则大多用于工业过程控制、室内气候调节或可穿戴健康监测领域，而非一次性食品包装[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。传统的湿度传感器主要分为三类：电阻式、电容式和声学式。它们通常以陶瓷、电解质、合成聚合物或二维材料作为传感层[6]、[7]、[13]、[14]。虽然这些材料具有较高的灵敏度和宽广的动态范围，但在水果包装应用中却存在诸多缺陷，包括成本高昂、结构僵硬笨重、持续监测时能耗较高、制造工艺复杂、有毒成分可能迁移，以及一次性使用后会产生大量电子垃圾。
柔性及可穿戴湿度传感器作为一种颇具吸引力的替代方案应运而生，它们利用聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚酰亚胺等薄型聚合物基底，打造出可弯曲、可贴附在皮肤上的检测装置[15]、[16]。同时，基于石墨烯、MXenes或其他二维材料的传感层虽然灵敏度极高，但往往需要能耗较高的合成工艺，而且大规模处理时还会带来环境和安全方面的问题[14]、[17]。因此，要缩小高性能湿度传感技术与真正环保、适合食品应用的材料之间的差距，就需要在基底设计和活性层设计方面进行根本性的变革。
纤维素是地球上最丰富的生物聚合物，如今越来越被认为是一种用于开发可持续柔性电子产品的理想材料[13]。作为一种线性β-1,4连接的葡聚糖，纤维素具备可再生性、可生物降解性、良好的机械强度以及大量的亲水性羟基。这些羟基使纤维素具有很强的吸水能力以及天然的湿度敏感性，这一特性可被用于湿度传感。由纤维素衍生的材料，包括纤维素纳米纤维、纤维素纳米晶体、羧甲基纤维素以及细菌纤维素，都具有分级的孔隙结构和高比表面积，此外，通过功能化处理或引入纳米颗粒和导电相，还可以改变其表面化学性质，从而赋予其光学、电子或催化功能[13]、[18]。近期关于基于纤维素的柔性传感器的研究和应用表明，它们有望作为应变传感器、压力传感器和湿度传感器的基底或活性层，尤其适用于可穿戴设备和环境监测领域[19]、[20]。
在各类纤维素衍生物中，细菌纤维素具有独特的地位。它是由某些细菌在细胞外产生的，能够形成由直径约为20-100纳米的带状纳米纤维构成的三维网络[21]、[22]。这种纳米级结构使得细菌纤维素具有极高的吸水能力，其大量的羟基以及相互连通的亲水通道有助于快速吸附和释放水分子，因此非常适合用作与生物组织或食品表面直接接触的传感层或基底[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。
基于此，我们设计了一种基于细菌纤维素的低成本湿度传感器，该传感器兼具出色的湿度响应性、良好的机械柔韧性以及环境可持续性。在该传感器中，细菌纤维素作为吸湿层，能够高效地从周围环境中吸收水分并发生膨胀，而聚酰亚胺则作为疏水层，其吸水行为与细菌纤维素有明显差异。通过将这两种材料结合成双层结构，它们在吸水能力上的差异便可被有效地转化为可测量的信号，该信号可反映环境中的相对湿度，进而通过智能手机应用程序中的机器学习模型转换为有用的新鲜度信息。这种方法不仅弥补了可持续材料与高性能湿度传感技术之间的差距，还为人工智能驱动的智能包装带来了新的思路——通过低成本传感器与移动计算技术的结合，能够在整个水果供应链中实现便捷的新鲜度检测。此外，由于这种传感器的制备方法简单且成本低廉，非常适合大规模生产。
章节要点
细菌纤维素薄膜的制备
细菌纤维素双层湿度传感器薄膜的制备流程如图1A所示。首先将细菌纤维素分散液（由桂林奇鸿科技有限公司提供，经1%氢氧化钠处理纯化后再进行分散）与去离子水按1:1、1:2和1:4的比例分别加入超声波反应器中继续分散，随后将混合液在60摄氏度下干燥12小时，即可得到独立的细菌纤维素薄膜。为了制作双层传感元件，还需将这些细菌纤维素薄膜层压在商用聚酰亚胺材料上
微观结构与材料特性
细菌纤维素分子链上大量的羟基被认为是其具有强吸水能力的主要原因之一。图1A展示了细菌纤维素原材料的扫描电子显微镜图像，可以看出这些纤维呈各向同性，厚度也几乎没有差异。图1C则显示了经过加工后的传感器薄膜的光学图像，图像中还标出了用于图像识别的特征点。由于细菌纤维素具有良好的生物相容性和光学特性，
结论
综上所述，我们开发了一种低成本、高响应性的细菌纤维素/聚酰亚胺双层湿度传感器，该传感器能够实现非侵入式的实时水果新鲜度评估。其独特的Janus结构能够将微尺度的吸水现象转化为宏观层面的弯曲变形，其响应时间和恢复时间分别为110秒和70秒。通过将基于弯曲程度的传感技术与基于VGG的机器学习框架相结合，该系统能够将湿度变化转化为直观的新鲜度评估结果
作者贡献
毛俊琴和杨国权对这项工作做出了同等重要的贡献
CRediT作者贡献说明
杨国权：论文撰写——审阅与编辑，论文撰写——初稿，研究工作，正式分析，数据整理。毛俊琴：论文撰写——审阅与编辑，论文撰写——初稿，项目监督，项目管理，研究工作，正式分析，数据整理，概念构思。
毛俊琴|杨国权
