環境溫濕度、光照強度、水分、鹽堿度、作物生理指標……這些參數關系農作物生長，現代農業通過農業信息智能感知技術便可輕松“一網打盡”。
然而實時監測這些指標需要電力驅動，電力無疑是智慧農業蓬勃發展的“源頭活水”。田間地頭常常難以鋪設管線，而電池有限續航能力和污染風險又比較突出。因此發展農業信息“無源感知”是未來智慧農業一大趨勢。
為更好地解決這一難題，浙江大學生物系統工程與食品科學學院IBE團隊平建峰研究員課題組，提出了一種簡便有效的方法，從農業環境中挖掘自然能源并將其高效轉化為電能。首次將摩擦納米發電機技術應用于農用紡織品中，并用于降雨時雨水能的收集，通過能量轉化獲取電能。
這項研究，近日發表在國際知名期刊《納米能源》（Nano Energy）上，論文第一作者為浙江大學生物系統工程與食品科學學院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業中的應用場景
把摩擦納米發電機裝進農用紡織品的紗線里
南方地區經常暴雨成災，造成農業生產的巨大損失。農用紡織品在大棚設施中最為常見，它能夠遮陰擋雨，保護農作物。
如何從農業環境中挖掘能源？
科研人員將這兩者巧妙結合，通過紗線表面功能化，將摩擦納米發電機依附在紗線上，織成智能化農用紡織品，利用雨水沖刷時的電子轉移與流動產生電流，源源不斷地為智慧農業供能。裝載摩擦納米發電機的紗線可以說是智慧農業的“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，一場突如其來的傾盆大雨透過來不及關閉的窗戶摧殘了窗臺邊的綠植。這引起了研究人員的思考：“農作物所處的環境只會更惡劣，那么我們就想辦法利用它的惡劣。”大棚不僅可以作為作物、動物的“保護傘”，還可以作為雨滴能的收集器。
實驗數據顯示，在9.5牛頓的連續力作用下，3厘米長的紗線就能產生7.7伏的電壓。
平建峰介紹，未來通過連接儲能設備，這些被改造的農用紡織品，不僅可以為種植業和畜牧業提供保護以提高農畜產品質量與產量，還可以為物聯網感知器件源源不斷地輸送電能，從而開展農業信息的無源監測和實時提供天氣狀況。
圖2. 功能化紗線在農用紡織品上的應用
綠色能源在智慧農業中具有廣闊應用
為什么雨滴的能量可以轉化成電能呢？
這是因為對農用紡織品的紗線進行了特殊改造。科研人員在其表面覆蓋了兩層特殊材料——導電的碳化鈦納米材料和不導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境中的雨水發生電子轉移。而碳化鈦感應電極，不僅具有高導電性能，還因其高電負性可以助力表面聚合物搶奪電子。因此在實現農用紡織品原有的農用保護材料、保溫、遮陽、水土保持、排水灌溉、種子培育基材的功能基礎上，還能從農業環境中源源不斷地獲取能源，為智慧農業提供驅動力，實現農業信息“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模化和工業化。
這項研究受到了國家優秀青年科學基金（No. 31922063）的資助。
論文鏈接 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285520304201
