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光照強度、溫度濕度、鹽堿度……通過農(nóng)業(yè)信息智能感知技術(shù)，可以將作物生長相關(guān)的生長指標(biāo)一一記錄下來，以為作物的大規(guī)模與高質(zhì)量培植提供借鑒。然而這些指標(biāo)的實時監(jiān)測需要電力來驅(qū)動，但是田間地頭往往難以鋪設(shè)管線，此外由于有限的電池續(xù)航能力和污染問題等，現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)量測、監(jiān)測設(shè)備的持續(xù)供電仍困擾著大家。
近日，為解決此類問題，浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院智能生物產(chǎn)業(yè)裝備創(chuàng)新團隊（IBE）的研究人員提出，可以從農(nóng)業(yè)環(huán)境中挖掘自然能源并將其高效轉(zhuǎn)化為電能。他們首次將摩擦納米發(fā)電機（TENG）技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)用紡織品中，利用雨水沖刷時的電子轉(zhuǎn)移與流動產(chǎn)生電流，對降雨時雨滴能進行收集，并通過能量轉(zhuǎn)化獲取電能。相關(guān)研究成果已發(fā)表于《納米能源》（Nano Energy）雜志。
在農(nóng)業(yè)環(huán)境中，降雨是一種普遍現(xiàn)象，但有時的強降雨、暴雨可能會對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生不利影響。為此，農(nóng)用紡織品得到了廣泛的利用，它能夠遮陰擋雨，給予農(nóng)作物一定的保護。為了構(gòu)造更加堅固的TENG紗線，研究人員開發(fā)了一種用于制造可拉伸電極的簡便有效的方法，即用MXene墨水涂覆彈性纖維，然后自然生長Ag納米顆粒（AgNPs）。
研究人員對農(nóng)用紡織品的紗線進行了特殊改造，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，它們是構(gòu)成摩擦納米發(fā)電機的關(guān)鍵材料。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。聚二甲基硅氧烷是一種常見的高分子聚合物，能夠防水并與環(huán)境中的雨水發(fā)生電子轉(zhuǎn)移。
研究人員指出，這兩種材料具有良好的生物相容性，在實現(xiàn)農(nóng)用紡織品原有的保溫、遮陽、水土保持、排水灌溉、種子培育的功能基礎(chǔ)上，還能從自然環(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。
通過用PDMS連續(xù)涂覆導(dǎo)電纖維，可以證明他們開發(fā)的摩擦電紗（直徑約400μm）具有非凡的輸出性能，可產(chǎn)生7.7V的電壓，有效接觸長度為3cm。此外，TENG紗的優(yōu)異機械性能，高拉伸性，出色的耐用性和相當(dāng)大的疏水性也使其能夠被編織成網(wǎng)或整合到農(nóng)用織物中。
據(jù)稱，這個設(shè)計靈感來自仲夏時節(jié)一場突如其來的大雨，當(dāng)時大雨傾盆而下，瞬時進入來不及關(guān)閉的窗戶，摧毀了窗臺邊的綠植，這一連串突發(fā)事件引起了科研人員的關(guān)注與思考，大雨中農(nóng)作物所處的境地只會更加惡劣，能不能想辦法變劣勢為優(yōu)勢呢？
如果沒有降雨，改造后的紗線還收集并提供能源嗎？研究人員表示，在雨水不足的情況下，該紗線還可以采集風(fēng)能。摩擦納米發(fā)電機的動力源既可以是風(fēng)力、水力、海浪等自然能源，也可以是人的行走、手的觸摸、下落的雨滴等隨機能源，甚至可以是車輪的轉(zhuǎn)動、機器的轟鳴等噪聲能源。
因此，TENG紗在為農(nóng)作物種植和畜牧業(yè)提供保護以提高農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量的同時，也可以收獲雨滴能量。此外，它還可以作為自供電傳感器來監(jiān)視動態(tài)力，提供天氣狀況的基本信息。總而言之，這種技術(shù)先進的TENG紗線具有許多優(yōu)勢，如易于工程設(shè)計和按比例放大等，因此具有很大的潛力，可用于農(nóng)用紡織品以構(gòu)建智能農(nóng)業(yè)。
功能化紗線的制備流程在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用
目前，該研究團隊已經(jīng)開始著手將摩擦納米發(fā)電機技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)。據(jù)了解，該團隊曾設(shè)計了一種由摩擦納米發(fā)電機和微型超級電容器組成的集成式自清潔、自充電裝置，它能高效地從雨滴中收集能量并進行存儲。實驗中，他們將3×7厘米的薄膜器件貼附在植物葉片上，用于收集雨水的能量。在模擬自然界中的降雨過程中，經(jīng)過該器件的轉(zhuǎn)化和存儲，可以為商業(yè)化的農(nóng)業(yè)環(huán)境溫濕度傳感器件提供電能。
未來，這些被改造的農(nóng)用紡織品建成的大棚，通過連接儲能設(shè)備不僅可以為種植業(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。因?qū)Νh(huán)境沒有破壞，這項技術(shù)可以稱為綠色能源技術(shù)。由此可見，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”。
目前，小規(guī)模的TENG紗制備可以實現(xiàn)精準化，但其規(guī)模化應(yīng)用推廣還尚需時日。一方面，碳化鈦納米材料的制備成本較高，推廣仍有一定難度，尚需要尋找廉價替代材料；另一方面，材料的涂覆技術(shù)尚未形成工藝，尤其是對涂覆厚薄有待進一步摸索。此外，線路連接、編織方式等都需要進行進一步的優(yōu)化與改善。
下一步，該研究團隊將通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)、編織紗線、管理電路等進一步提升該技術(shù)的實用性能，助力實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息無源實時感知，為農(nóng)業(yè)綠色生產(chǎn)創(chuàng)造更加有利的環(huán)境。
