功能化紗線的制備流程及其在農業中的應用場景

光照強度、溫度濕度、鹽堿度……通過農業信息智能感知技術，可以將作物生長相關的生理指標“一網打盡”。

實時監測這些指標需要電力驅動，然而田間地頭常常難以鋪設管線，此外，電池續航能力有限和污染問題也比較突出。為解決此問題，浙江大學生物系統工程與食品科學學院智能生物產業裝備創新團隊(IBE)的平建峰研究員等提出，可以從農業環境中挖掘自然能源并將其高效轉化為電能。

該研究團隊首次將摩擦納米發電機技術應用于農用紡織品中，并對降雨時雨滴能進行收集，通過能量轉化獲取電能。相關研究成果近日發表于《納米能源》(Nano Energy)。

從自然環境中挖掘能源

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?研究團隊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，從而源源不斷地為智慧農業供能。

平建峰介紹道，這個研究靈感來自仲夏時節一場突如其來的大雨。大雨進入來不及關閉的窗戶，摧殘了窗臺邊的綠植，也引發了科研人員的思考：“大雨中農作物所處的環境只會更惡劣，我們能不能想辦法變劣為良呢?”

于是，研究團隊開始在實驗室模擬各種環境。數據顯示，在9.5牛頓的連續力作用下，3厘米長的紗線可以產生7.7伏的電壓。以此推斷，裝載摩擦納米發電機的紗線做成的大棚布不僅可以成為農作物、動物的“保護傘”，還可以作為雨滴能的收集器。

覆蓋兩層特殊功能材料

為什么雨滴的能量可以轉化成電能?“這是因為我們對農用紡織品的紗線進行了特殊改造。”平建峰解釋道，“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，它們是構成摩擦納米發電機的關鍵材料。”

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。

平建峰介紹說，這兩種材料具有良好的生物相容性，在實現農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上，還能從自然環境中源源不斷地獲取能源，為智慧農業提供驅動力。

也有人對此提出質疑，如果沒有降雨，改造后的紗線還收集并提供能源嗎?“雨水不足，我們還可以采集風能。”平建峰從摩擦納米發電機的原理講起，其動力源既可以是風力、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動、機器的轟鳴等垃圾能源。

在這項研究結果發布之前，研究團隊就已開始著手將摩擦納米發電機技術應用于農業。團隊曾設計了一種由摩擦納米發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，我們將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。模擬自然界中的降雨，經過該器件的轉化和存儲，可以為商業化的農業環境溫濕度傳感器件提供電能。”平建峰介紹道。

助力農業信息無源實時感知

未來，這些被改造的農用紡織品建成的大棚通過連接儲能設備，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。

因其對環境沒有破壞，這項技術可以稱為綠色能源技術。由此可見，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”。但平建峰指出，該紗線的規模化應用推廣尚需時日。

“目前小規模的制備我們可以實現精準化，但大規模制備上還存在一些問題。一方面碳化鈦納米材料的制備成本較高，推廣有難度，未來需要尋找廉價替代材料;另一方面材料的涂覆技術尚未形成工藝，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優化。”平建峰說。

下一步，研究團隊還將通過優化結構、編織紗線、管理電路等進一步提升該技術的實用性能，助力實現農業信息無源實時感知，為農業綠色生產創造有利條件。

相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104863

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