雨水发电，为智慧农业提供源源不断的动力

光照强度、温度湿度、盐碱度……通过农业信息智能感知技术，可以将作物生长相关的生长指标一一记录下来，以为作物的大规模与高质量培植提供借鉴。然而这些指标的实时监测需要电力来驱动，但是田间地头往往难以铺设管线，此外由于有限的电池续航能力和污染问题等，现代化农业量测、监测设备的持续供电仍困扰着大家。
近日，为解决此类问题，浙江大学生物系统工程与食品科学学院智能生物产业装备创新团队（IBE）的研究人员提出，可以从农业环境中挖掘自然能源并将其高效转化为电能。他们首次将摩擦纳米发电机（TENG）技术应用于农用纺织品中，利用雨水冲刷时的电子转移与流动产生电流，对降雨时雨滴能进行收集，并通过能量转化获取电能。相关研究成果已发表于《纳米能源》（Nano Energy）杂志。
在农业环境中，降雨是一种普遍现象，但有时的强降雨、暴雨可能会对农业生产产生不利影响。为此，农用纺织品得到了广泛的利用，它能够遮阴挡雨，给予农作物一定的保护。为了构造更加坚固的TENG纱线，研究人员开发了一种用于制造可拉伸电极的简便有效的方法，即用MXene墨水涂覆弹性纤维，然后自然生长Ag纳米颗粒（AgNPs）。
研究人员对农用纺织品的纱线进行了特殊改造，在其表面覆盖了两层特殊材料——导电的碳化钛纳米材料和不导电的聚二甲基硅氧烷，它们是构成摩擦纳米发电机的关键材料。碳化钛感应电极，不仅具有高导电性能，还因其高电负性可以助力表面聚合物抢夺电子。聚二甲基硅氧烷是一种常见的高分子聚合物，能够防水并与环境中的雨水发生电子转移。
研究人员指出，这两种材料具有良好的生物相容性，在实现农用纺织品原有的保温、遮阳、水土保持、排水灌溉、种子培育的功能基础上，还能从自然环境中源源不断地获取能源，为智慧农业提供驱动力。
通过用PDMS连续涂覆导电纤维，可以证明他们开发的摩擦电纱（直径约400μm）具有非凡的输出性能，可产生7.7V的电压，有效接触长度为3cm。此外，TENG纱的优异机械性能，高拉伸性，出色的耐用性和相当大的疏水性也使其能够被编织成网或整合到农用织物中。
据称，这个设计灵感来自仲夏时节一场突如其来的大雨，当时大雨倾盆而下，瞬时进入来不及关闭的窗户，摧毁了窗台边的绿植，这一连串突发事件引起了科研人员的关注与思考，大雨中农作物所处的境地只会更加恶劣，能不能想办法变劣势为优势呢？
如果没有降雨，改造后的纱线还收集并提供能源吗？研究人员表示，在雨水不足的情况下，该纱线还可以采集风能。摩擦纳米发电机的动力源既可以是风力、水力、海浪等自然能源，也可以是人的行走、手的触摸、下落的雨滴等随机能源，甚至可以是车轮的转动、机器的轰鸣等噪声能源。
因此，TENG纱在为农作物种植和畜牧业提供保护以提高农产品的质量和产量的同时，也可以收获雨滴能量。此外，它还可以作为自供电传感器来监视动态力，提供天气状况的基本信息。总而言之，这种技术先进的TENG纱线具有许多优势，如易于工程设计和按比例放大等，因此具有很大的潜力，可用于农用纺织品以构建智能农业。
功能化纱线的制备流程及其在农业中的应用场景
目前，该研究团队已经开始着手将摩擦纳米发电机技术应用于农业。据了解，该团队曾设计了一种由摩擦纳米发电机和微型超级电容器组成的集成式自清洁、自充电装置，它能高效地从雨滴中收集能量并进行存储。实验中，他们将3×7厘米的薄膜器件贴附在植物叶片上，用于收集雨水的能量。在模拟自然界中的降雨过程中，经过该器件的转化和存储，可以为商业化的农业环境温湿度传感器件提供电能。
未来，这些被改造的农用纺织品建成的大棚，通过连接储能设备不仅可以为种植业和畜牧业提供保护，以提高农畜产品质量与产量，还可以为物联网感知器件源源不断地输送电能。因对环境没有破坏，这项技术可以称为绿色能源技术。由此可见，装载摩擦纳米发电机的纱线可以说是智慧农业的“无源活水”。
目前，小规模的TENG纱制备可以实现精准化，但其规模化应用推广还尚需时日。一方面，碳化钛纳米材料的制备成本较高，推广仍有一定难度，尚需要寻找廉价替代材料；另一方面，材料的涂覆技术尚未形成工艺，尤其是对涂覆厚薄有待进一步摸索。此外，线路连接、编织方式等都需要进行进一步的优化与改善。
下一步，该研究团队将通过优化结构、编织纱线、管理电路等进一步提升该技术的实用性能，助力实现农业信息无源实时感知，为农业绿色生产创造更加有利的环境。
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