1月13日，浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院平建峰、應(yīng)義斌教授團(tuán)隊(duì)（IBE）聯(lián)合中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所、美國(guó)佐治亞理工學(xué)院的合作者在Nature子刊（Nature Food）上發(fā)表研究論文“Stimulation of ambient energy generated electrical field on crop plant growth”（圖1）。該研究報(bào)道了一種自供電的作物電刺激系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于一個(gè)由風(fēng)能和雨滴能驅(qū)動(dòng)的摩擦納米發(fā)電平臺(tái)。通過(guò)產(chǎn)生自供電的高壓電場(chǎng)，該系統(tǒng)可提高豌豆種子的發(fā)芽及生長(zhǎng)速度，并可實(shí)現(xiàn)多種農(nóng)業(yè)傳感器的無(wú)電池驅(qū)動(dòng)。

 

　　農(nóng)業(yè)化學(xué)革命極大地提高了作物產(chǎn)量，但化肥和農(nóng)藥的濫用給環(huán)境帶來(lái)了巨大負(fù)擔(dān)，進(jìn)而給人類健康帶來(lái)了額外的風(fēng)險(xiǎn)。因此，有必要開(kāi)發(fā)新的作物增產(chǎn)技術(shù)，幫助傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)減少對(duì)農(nóng)用化學(xué)品的依賴，同時(shí)最大限度地實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的可持續(xù)增長(zhǎng)。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，外部高壓靜電場(chǎng)不僅可以用來(lái)縮短植物種子的發(fā)芽期，還能加速植物幼苗的生長(zhǎng)。目前，商業(yè)化的農(nóng)用高壓靜電場(chǎng)供能以市電為主，且在實(shí)際使用中存在著電路鋪設(shè)困難、安裝成本高和電擊危險(xiǎn)等問(wèn)題，這大大限制了該類型技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，源于接觸起電和靜電感應(yīng)耦合效應(yīng)的摩擦納米發(fā)電技術(shù)的發(fā)明為解決這一問(wèn)題提供了新方案。基于該技術(shù)研發(fā)的摩擦納米發(fā)電機(jī)（Triboelectric nanogenerator, TENG）具有輸出電壓高、成本低、重量輕、材料選擇性廣等優(yōu)點(diǎn)，可以從外部環(huán)境中收集各種機(jī)械能并直接轉(zhuǎn)化為電能，以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模自供電傳感及供能網(wǎng)絡(luò)。因此，針對(duì)電促生長(zhǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的實(shí)際困難，研究人員提出將TENG替代傳統(tǒng)高壓靜電場(chǎng)電源以實(shí)現(xiàn)作物的自供電電刺激生長(zhǎng)。得益于TENG結(jié)構(gòu)和材料的高度可調(diào)特性，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種由環(huán)境風(fēng)能、雨滴能驅(qū)動(dòng)的高性能全天候摩擦納米發(fā)電機(jī)（All-weather triboelectric nanogenerator, AW-TENG），并以該發(fā)電機(jī)作為高壓電源開(kāi)發(fā)了自供電作物電刺激系統(tǒng)（圖2）。

 

　　在這項(xiàng)研究中，實(shí)現(xiàn)AW-TENG在微風(fēng)下的持續(xù)高輸出至關(guān)重要，研究人員利用軸承作為摩擦層的間隔物、兔毛作為電荷補(bǔ)充材料，并設(shè)計(jì)了一體化非接觸式結(jié)構(gòu)。這些獨(dú)特設(shè)計(jì)避免了AW-TENG中的摩擦和損耗，以及長(zhǎng)時(shí)間工作后靜電力導(dǎo)致的啟動(dòng)風(fēng)速增大，并大幅降低啟動(dòng)力矩（~90%），可實(shí)現(xiàn)超小啟動(dòng)風(fēng)速（~0.5 m/s）以及微風(fēng)驅(qū)動(dòng)下的高電壓持續(xù)輸出（~3kV）。隨后，研究人員基于優(yōu)化后的AW-TENG設(shè)計(jì)了自供電電刺激系統(tǒng)，以探究和驗(yàn)證自供電電場(chǎng)對(duì)作物發(fā)芽及生長(zhǎng)的促進(jìn)作用。結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)自供電靜電場(chǎng)處理后的豌豆種子發(fā)芽顯著加快（~26.3%），豌豆苗的生長(zhǎng)速率也獲得了提升（~17.9%）。通過(guò)對(duì)自供電靜電場(chǎng)刺激豌豆生長(zhǎng)的機(jī)理探究，研究人員認(rèn)為生長(zhǎng)加速的原因可能來(lái)自于靜電場(chǎng)對(duì)豌豆呼吸強(qiáng)度、光合作用以及其他生理活動(dòng)的增強(qiáng)，但電場(chǎng)對(duì)植物影響的具體機(jī)制還需要進(jìn)一步挖掘。此外，還探究了該自供電電場(chǎng)對(duì)大豆、小白菜等其他作物生理活動(dòng)的影響。最后，該工作還研究了自供電系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)傳感方面的應(yīng)用可行性，將其用于農(nóng)業(yè)環(huán)境中溫濕度、土壤pH以及水中溶解性總固體含量的自供電監(jiān)測(cè)。該技術(shù)的研發(fā)對(duì)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)中作物電刺激系統(tǒng)的廣泛布設(shè)以及自供電傳感網(wǎng)絡(luò)的建立具有重要學(xué)術(shù)意義。

 

　　該研究論文的第一作者是浙江大學(xué)博士研究生李遜甲，通訊作者為平建峰研究員、中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所駱健俊博士以及王中林教授（美國(guó)佐治亞理工學(xué)院終身董事教授、中科院外籍院士）。平建峰是國(guó)家優(yōu)秀青年基金獲得者，浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院應(yīng)義斌教授團(tuán)隊(duì)（IBE）的核心成員。主要從事農(nóng)業(yè)信息學(xué)領(lǐng)域的交叉研究工作，在植物生命信息微納感知（Advanced Science 2021）、農(nóng)業(yè)環(huán)境信息無(wú)源感知（Nano Energy 2021）、農(nóng)業(yè)環(huán)境微能量獲取技術(shù)（ACS Nano 2021）等方面取得了一系列研究成果。

 

　　原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s43016-021-00449-9