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  環(huán)境溫濕度、光照強(qiáng)度、水分、鹽堿度、作物生理指標(biāo)……這些參數(shù)關(guān)系農(nóng)作物生長，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)通過農(nóng)業(yè)信息智能感知技術(shù)便可輕松“一網(wǎng)打盡”。

  然而實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)這些指標(biāo)需要電力驅(qū)動(dòng)，電力無疑是智慧農(nóng)業(yè)蓬勃發(fā)展的“源頭活水”。田間地頭常常難以鋪設(shè)管線，而電池有限續(xù)航能力和污染風(fēng)險(xiǎn)又比較突出。因此發(fā)展農(nóng)業(yè)信息“無源感知”是未來智慧農(nóng)業(yè)一大趨勢(shì)。

  為更好地解決這一難題，浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院IBE團(tuán)隊(duì)平建峰研究員課題組，提出了一種簡便有效的方法，從農(nóng)業(yè)環(huán)境中挖掘自然能源并將其高效轉(zhuǎn)化為電能。首次將摩擦納米發(fā)電機(jī)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)用紡織品中，并用于降雨時(shí)雨水能的收集，通過能量轉(zhuǎn)化獲取電能。

  這項(xiàng)研究，近日發(fā)表在國際知名期刊《納米能源》（Nano Energy）上，論文第一作者為浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院2020級(jí)博士研究生姜成美，通訊作者為平建峰研究員。

圖1.功能化紗線的制備流程及其在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用場(chǎng)景

把摩擦納米發(fā)電機(jī)裝進(jìn)農(nóng)用紡織品的紗線里

  南方地區(qū)經(jīng)常暴雨成災(zāi)，造成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的巨大損失。農(nóng)用紡織品在大棚設(shè)施中最為常見，它能夠遮陰擋雨，保護(hù)農(nóng)作物。

  如何從農(nóng)業(yè)環(huán)境中挖掘能源？

  科研人員將這兩者巧妙結(jié)合，通過紗線表面功能化，將摩擦納米發(fā)電機(jī)依附在紗線上，織成智能化農(nóng)用紡織品，利用雨水沖刷時(shí)的電子轉(zhuǎn)移與流動(dòng)產(chǎn)生電流，源源不斷地為智慧農(nóng)業(yè)供能。裝載摩擦納米發(fā)電機(jī)的紗線可以說是智慧農(nóng)業(yè)的“無源活水”。

  這個(gè)研究靈感來自一場(chǎng)突如其來的大雨：仲夏時(shí)節(jié)，一場(chǎng)突如其來的傾盆大雨透過來不及關(guān)閉的窗戶摧殘了窗臺(tái)邊的綠植。這引起了研究人員的思考：“農(nóng)作物所處的環(huán)境只會(huì)更惡劣，那么我們就想辦法利用它的惡劣�！贝笈锊粌H可以作為作物、動(dòng)物的“保護(hù)傘”，還可以作為雨滴能的收集器。

  實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在9.5牛頓的連續(xù)力作用下，3厘米長的紗線就能產(chǎn)生7.7伏的電壓。

  平建峰介紹，未來通過連接儲(chǔ)能設(shè)備，這些被改造的農(nóng)用紡織品，不僅可以為種植業(yè)和畜牧業(yè)提供保護(hù)以提高農(nóng)畜產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量，還可以為物聯(lián)網(wǎng)感知器件源源不斷地輸送電能，從而開展農(nóng)業(yè)信息的無源監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)提供天氣狀況。

圖2. 功能化紗線在農(nóng)用紡織品上的應(yīng)用

綠色能源在智慧農(nóng)業(yè)中具有廣闊應(yīng)用

  為什么雨滴的能量可以轉(zhuǎn)化成電能呢？

  這是因?yàn)閷?duì)農(nóng)用紡織品的紗線進(jìn)行了特殊改造。科研人員在其表面覆蓋了兩層特殊材料——導(dǎo)電的碳化鈦納米材料和不導(dǎo)電的聚二甲基硅氧烷。

圖3.功能化紗線收集雨滴能的原理

  該聚合物能夠防水并與環(huán)境中的雨水發(fā)生電子轉(zhuǎn)移。而碳化鈦感應(yīng)電極，不僅具有高導(dǎo)電性能，還因其高電負(fù)性可以助力表面聚合物搶奪電子。因此在實(shí)現(xiàn)農(nóng)用紡織品原有的農(nóng)用保護(hù)材料、保溫、遮陽、水土保持、排水灌溉、種子培育基材的功能基礎(chǔ)上，還能從農(nóng)業(yè)環(huán)境中源源不斷地獲取能源，為智慧農(nóng)業(yè)提供驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息“無源實(shí)時(shí)感知”。

  平建峰說，這兩種材料具有良好的生物相容性，而且整個(gè)制備過程易于規(guī)�；凸I(yè)化。

  這項(xiàng)研究受到了國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金（No. 31922063）的資助。

  論文鏈接 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285520304201