★研究背景

用于食品質量控制的柔性傳感技術得到了一些研究。然而，大多數傳感器僅僅基于單一機制工作，傳感器的應用范圍被限制了。因此，本研究的目的是研發一種新型的雙參數柔性傳感器，代替傳統的剛性傳感器和羊肉質量指標測試方法，來評估羊肉的新鮮度。中國農業大學張小栓教授團隊提出了一種羊肉新鮮度檢測改進方法。基于激光直寫技術制備了一種低成本，高性能的柔性阻抗-溫度電極，結合STM32單片機搭建了一套完整的柔性溫度-阻抗測量系統。使用四種不同的機器學習算法，羊肉新鮮度的檢測精度達到90%以上。所開發的系統彌補了傳統阻抗傳感器無法持續監測羊肉新鮮度變化的不足，也為精確監測羊肉溫度變化提供了一些獨特的見解。

★ 文章解析

將所開發的系統與依托品質指標建立的傳統方程模型（圖1a）和依托微環境氣體感知系統（圖1b）的機器學習模型進行了比較，討論了柔性感知系統的獨特的優勢。柔性感知系統的阻抗模式可以用作觸覺傳感器感知羊肉的新鮮度，溫度模式可以連續，精準監測羊肉表面的溫度變化，這意味著系統具備定性和定量評估羊肉新鮮度的潛力（圖1c）。

圖1：傳統方法與本文方法的對比分析

用激光切割機（Tianlang Laser Technology Co., Ltd., China）在PI薄膜表面以120mm/s的速度和7.2w的功率誘導三維石墨烯電極（LIG），原始圖案是用AutoCAD2012軟件（Autodesk LTD, USA）設計的，柔性LIG電極即被用做阻抗電極層，又被用作溫度電極層，電極層的末端均由銀線引出。氧化石墨烯（GO）溶液直接從公司（Tanfeng GrapheneTechnology Co., Ltd., China）購買按原樣使用。用滴管將200uL的GO溶液滴注在直徑為12mm的PI薄膜中心圓形區域，在室溫下自然干燥24h。為防止滴注過程中溶液對外圍阻抗電極的影響，設計了封裝貼片將內部圓形區域與外部相隔開。然后用激光雕刻機（Tianlang Laser Technology Co., Ltd., China）以2000mm/s的速度和2.5W的功率對干燥后的GO薄膜進行還原。將玻璃片上的PI薄膜剝離后放置在150℃的恒溫烘箱(Shanghai Jinghong Experimental Equipment Co., Ltd., China) 中25min,形成最終的熱還原氧化石墨烯（LTrGO）。溫度的變化改變了LTrGO（3D多孔泡沫結構）的導電路徑，進而改變了傳感器的電阻。傳感器的耐熱性，耐濕性和疏水性由PI提供，傳感器的透氣性和穩定性由多孔的LIG提供。

圖 2：柔性電極結構

設計了一套完整的柔性阻抗-溫度傳感系統，系統由自制的柔性電極，主控芯片，轉換模塊，通信模塊和電源模塊組成,硬件搭建如圖3所示。核心芯片選擇STM32F103單片機最小系統板，轉換模塊包括AD5933阻抗轉換芯片和AD溫度芯片，這意味著系統能獲取溫度信息和阻抗信息。主控芯片內部的USART串口將數據傳輸到藍牙模塊，系統通過5V鋰電池供電。阻抗信息的獲取方式為，首先通過AD5933中的頻率發生器產生不同頻率的激勵信號，接著利用自制電極的輸出端進行信號輸出，信號經過羊肉樣品后，通過電極的輸入端接收響應信號，然后通過片內的ADC進行采樣，片上的DSP對數據進行離散傅里葉變換，將變換后的數據傳輸到STM32主控板上。溫度信息的獲取方式為：通過溫度轉換芯片將感知到的電阻信號轉換成電壓信號，然后單片機內的ADC將電壓信號轉換成數字信號，信號經藍牙模塊無線傳輸至終端。

圖 3：柔性溫度-阻抗雙參數傳感系統的設計

展示了不同溫度下羊肉在7天內相位角的變化趨勢。可以看出，同一激勵頻率下，隨著羊肉貯藏天數的增加，相位角總體呈增大趨勢。4℃和8℃下，相位角還呈現先增大后略微下降的趨勢。這可能是因為較高的溫度使得羊肉在冷藏的過程中細胞結構變形，逐漸變質。隨著激勵頻率的升高，相位角呈先減少后趨于平緩或略微增大趨勢。10kHz之前，相位角下降的速率較快，10kHz～20kHz時，相位角逐漸趨于平緩，20kHz之后，相位角呈現略微增大趨勢。

圖 4：不同溫度下7天羊肉阻抗幅值和相位角的變化

冷鏈中傳統的冷鮮肉溫度監測方法通常是在制冷位置處或艙室側壁安裝剛性的溫度傳感器。但根據文獻，傳感器感知的環境溫度與冷鮮肉表面的實際溫度有差異，這種差異隨冷鮮肉堆積密度的增加變大。為驗證所開發的柔性溫度電極在冷鏈中溫度監測的可行性和量化羊肉表面和外部溫度感知的差異，同樣以冷鮮羊肉為研究對象進行了恒溫箱內的羊肉儲藏試驗。在0℃，4℃和8℃三種溫度下，設置了三種不同的傳感器貼附方式，將剛性熱電偶分別貼附在恒溫箱側壁（方式一）和羊肉的表面（方式二），將柔性溫度電極（方式三）貼附在羊肉的表面，時間持續4h。柔性溫度電極具有快速的響應/恢復時間，較高的靈敏度和線性度，這證明了傳感器具有監測低溫下溫度波動的潛力。三個傳感器在恒溫箱的溫度從室溫降低到設定的溫度閾值（0℃，4℃和8℃）過程中的溫度演變如圖。箱子內壁溫度下降最快，約10min,7min,6min后就達到了設定溫度。對于羊肉表面剛性熱電偶的溫度演化，約3.9h,3.6h和1.7h后達到設定溫度附近，其拐點溫度分別在0.96℃，4.17℃和8.07℃。對于羊肉表面柔性電極的溫度演化，約3.8h,3.7h和2.1h后達到設定溫度附近，其拐點溫度分別在1.01℃，4.32℃和8.09℃。可以看出，針對羊肉的表面溫度，柔性電極與剛性熱電偶所測得的數值具有較高的一致性，但與恒溫箱側壁剛性熱電偶所測的溫度有較大的差別。由于傳感器的尺寸和冷鏈過程中的振動等因素，溫度的監測通常是基于方式一進行的，方式二由于剛性傳感器的振動，容易造成羊肉的損壞，因此本文的柔性溫度電極（方式三）提供了一種持續監測溫度波動的潛力。

圖5：柔性溫度電極的性能評價與探討

柔性系統的阻抗模式能夠代替羊肉質量指標來表征羊肉的新鮮度變化，機器學習預測模型比傳統的Arrhenius方程預測模型具有更高的精度，預測精度與基于氣體信息的預測精度相當。柔性系統的溫度模式能夠更為精確的監控冷鮮羊肉的溫度變化，具有持續，精準的表征羊肉品質變化的潛力。系統評估表明，柔性系統具有較高的靈敏度（-0.0047℃-1）和線性度（0.9914），相比剛性傳感器具有更低的成本。該文為提高冷鮮肉的質量控制水平提供了一種新的解決方案。

未來的工作可以研究實際運輸過程中溫度對羊肉新鮮度的影響，比較運輸和冷藏過程中羊肉新鮮度變化的差異，同時進一步提高預測模型的預測精度和穩定性，結合柔性傳感技術形成更低成本的新鮮度測試系統。