環(huán)境溫濕度、光照強度、水分、鹽堿度、作物生理指標……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”。

然而實時監(jiān)測這些指標需要電力驅(qū)動，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。

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團隊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)電機技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)用紡織品中，并用于降雨時雨水能的收集，通過能量轉(zhuǎn)化獲取電能。

這項研究，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)用場景

把摩擦納米發(fā)電機裝進農(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，保護農(nóng)作物。

如何從農(nóng)業(yè)環(huán)境中挖掘能源？

浙大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)電機依附在紗線上，織成智能化農(nóng)用紡織品，利用雨水沖刷時的電子轉(zhuǎn)移與流動產(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)電機的紗線可以說是智慧農(nóng)業(yè)的“無源活水”。

這個研究靈感來自一場突如其來的大雨：仲夏時節(jié)，一場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、動物的“保護傘”，還可以作為雨滴能的收集器。

實驗數(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)測和實時提供天氣狀況。

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？

這是因為對農(nóng)用紡織品的紗線進行了特殊改造?？蒲腥藛T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（一種高分子聚合物）。

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，還因其高電負性可以助力表面聚合物搶奪電子。因此在實現(xiàn)農(nóng)用紡織品原有的農(nóng)用保護材料、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)動力，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息“無源實時感知”。

平建峰說，這兩種材料具有良好的生物相容性，而且整個制備過程易于規(guī)模化和工業(yè)化。

這項研究受到了國家優(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

（文 柯溢能/圖片由課題組提供）