1月13日，浙江大学生物系统工程与食品科学学院平建峰、应义斌教授团队（IBE）联合中科院北京纳米能源与系统研究所、美国佐治亚理工学院的合作者在Nature子刊（Nature Food）上发表研究论文“Stimulation of ambient energy generated electrical field on crop plant growth”（图1）。该研究报道了一种自供电的作物电刺激系统，该系统基于一个由风能和雨滴能驱动的摩擦纳米发电平台。通过产生自供电的高压电场，该系统可提高豌豆种子的发芽及生长速度，并可实现多种农业传感器的无电池驱动。

图1. 本文在NatureFood期刊上发表的相关信息 

农业化学革命极大地提高了作物产量，但化肥和农药的滥用给环境带来了巨大负担，进而给人类健康带来了额外的风险。因此，有必要开发新的作物增产技术，帮助传统农业减少对农用化学品的依赖，同时最大限度地实现农业产量的可持续增长。相关研究发现，外部高压静电场不仅可以用来缩短植物种子的发芽期，还能加速植物幼苗的生长。目前，商业化的农用高压静电场供能以市电为主，且在实际使用中存在着电路铺设困难、安装成本高和电击危险等问题，这大大限制了该类型技术在农业中的广泛应用。近年来，源于接触起电和静电感应耦合效应的摩擦纳米发电技术的发明为解决这一问题提供了新方案。基于该技术研发的摩擦纳米发电机（Triboelectric nanogenerator, TENG）具有输出电压高、成本低、重量轻、材料选择性广等优点，可以从外部环境中收集各种机械能并直接转化为电能，以实现大规模自供电传感及供能网络。因此，针对电促生长技术在农业应用中的实际困难，研究人员提出将TENG替代传统高压静电场电源以实现作物的自供电电刺激生长。得益于TENG结构和材料的高度可调特性，优化设计了一种由环境风能、雨滴能驱动的高性能全天候摩擦纳米发电机（All-weather triboelectric nanogenerator, AW-TENG），并以该发电机作为高压电源开发了自供电作物电刺激系统（图2）。

图2. 全天候摩擦纳米发电机及其在作物电刺激生长中的应用

在这项研究中，实现AW-TENG在微风下的持续高输出至关重要，研究人员利用轴承作为摩擦层的间隔物、兔毛作为电荷补充材料，并设计了一体化非接触式结构。这些独特设计避免了AW-TENG中的摩擦和损耗，以及长时间工作后静电力导致的启动风速增大，并大幅降低启动力矩（~90%），可实现超小启动风速（~0.5 m/s）以及微风驱动下的高电压持续输出（~3kV）。随后，研究人员基于优化后的AW-TENG设计了自供电电刺激系统，以探究和验证自供电电场对作物发芽及生长的促进作用。结果显示，经过自供电静电场处理后的豌豆种子发芽显著加快（~26.3%），豌豆苗的生长速率也获得了提升（~17.9%）。通过对自供电静电场刺激豌豆生长的机理探究，研究人员认为生长加速的原因可能来自于静电场对豌豆呼吸强度、光合作用以及其他生理活动的增强，但电场对植物影响的具体机制还需要进一步挖掘。此外，还探究了该自供电电场对大豆、小白菜等其他作物生理活动的影响。最后，该工作还研究了自供电系统在农业传感方面的应用可行性，将其用于农业环境中温湿度、土壤pH以及水中溶解性总固体含量的自供电监测。该技术的研发对实现农业中作物电刺激系统的广泛布设以及自供电传感网络的建立具有重要学术意义。

该研究论文的第一作者是浙江大学博士研究生李逊甲，通讯作者为平建峰研究员、中科院北京纳米能源与系统研究所骆健俊博士以及王中林教授（美国佐治亚理工学院终身董事教授、中科院外籍院士）。平建峰是国家优秀青年基金获得者，浙江大学生物系统工程与食品科学学院应义斌教授团队（IBE）的核心成员。主要从事农业信息学领域的交叉研究工作，在植物生命信息微纳感知（Advanced Science 2021）、农业环境信息无源感知（Nano Energy 2021）、农业环境微能量获取技术（ACS Nano 2021）等方面取得了一系列研究成果。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s43016-021-00449-9

生物系统工程与食品科学学院

2022年1月15日