▲功能化纱线的制备流程及其在农业中的应用场景
环境温湿度、光照强度、水分、盐碱度、作物生理指标……这些关系农作物生长的参数，现代农业通过农业信息智能感知技术便可轻松“一网打尽”。然而，实时监测这些指标需要电力驱动，电力无疑是智慧农业蓬勃发展的“源头活水”。田间地头常常难以铺设管线，电池有限续航能力和污染风险又比较突出。
为更好地解决这一难题，浙江大学生物系统工程与食品科学学院IBE团队平建峰研究员课题组，提出了一种简便有效的方法，从农业环境中挖掘自然能源并将其高效转化为电能。首次将摩擦纳米发电机技术应用于农用纺织品中，并用于降雨时雨水能的收集，通过能量转化获取电能。
把摩擦纳米发电机装进农用纺织品的纱线里
南方地区经常暴雨成灾，造成农业生产的巨大损失。农用纺织品在大棚设施中最为常见，它能够遮阴挡雨，保护农作物。
如何从农业环境中挖掘能源？浙大科研人员将这两者巧妙结合，通过纱线表面功能化，将摩擦纳米发电机依附在纱线上，织成智能化农用纺织品，利用雨水冲刷时的电子转移与流动产生电流，源源不断地为智慧农业供能。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”。
▲功能化纱线在农用纺织品上的应用
这个研究灵感来自一场突如其来的大雨：仲夏时节，一场倾盆大雨透过来不及关闭的窗户摧残了窗台边的绿植。这引起了研究人员的思考：农作物所处的环境只会更恶劣，那么我们就想办法利用它的恶劣。大棚不仅可以作为作物、动物的“保护伞”，还可以作为雨滴能的收集器。
实验数据显示，在9.5牛顿的连续力作用下，3厘米长的纱线就能产生7.7伏的电压。平建峰介绍，未来通过连接储能设备，这些被改造的农用纺织品，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，从而开展农业信息的无源监测和实时提供天气状况。
绿色能源在智慧农业中具有广阔应用
为什么雨滴的能量可以转化成电能呢？这是因为对农用纺织品的纱线进行了特殊改造。科研人员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（一种高分子聚合物）。
▲功能化纱线收集雨滴能的原理
该聚合物能够防水并与环境中的雨水发生电子转移。而碳化钛感应电极，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。因此，在实现农用纺织品原有的农用保护材料、保温、遮阳、水土保持、排水灌溉、种子培育基材的功能基础上，还能从农业环境中源源不断地获取能源，为智慧农业提供驱动力，实现农业信息“无源实时感知”。平建峰说，这两种材料具有良好的生物相容性，而且整个制备过程易于规模化和工业化。
据了解，这项研究近日发表在国际知名期刊《纳米能源》（Nano Energy）上，论文第一作者为浙江大学生物系统工程与食品科学学院2020级博士研究生姜成美，通讯作者为平建峰研究员。这项研究受到了国家优秀青年科学基金（No. 31922063）的资助。