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【烏魯木齊晚報(bào)】戴上仿生“太陽花”,就知植物渴不渴

發(fā)布時(shí)間:2024-12-20 來源:烏魯木齊晚報(bào) 作者:江斌偉 瀏覽次數(shù):1000

戴上仿生“太陽花”,就知植物渴不渴——新疆科研人員研發(fā)自供能植物可穿戴傳感器,為節(jié)水灌溉和抗旱作物選育提供技術(shù)支持

烏魯木齊晚報(bào)訊(全媒體記者江斌偉報(bào)道)給黃瓜、南瓜、西瓜等植物的莖稈上戴上一朵仿生“太陽花”,就能知道它們渴不渴。


圖為仿生植物可穿戴傳感器。該傳感器不再需要傳統(tǒng)電池,它能夠像植物一樣僅僅依靠太陽能,實(shí)現(xiàn)能量的完全自給自足和長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。受訪者提供


更為神奇的是,這朵仿生“太陽花”可以充分吸收太陽能,實(shí)現(xiàn)能量完全自給自足和長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。

近日,新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院(新能源學(xué)院)教授劉湘江與浙江大學(xué)教授謝麗娟共同指導(dǎo)的碩士生王爽,在《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)期刊發(fā)表題為《仿生太陽花:自供能植物可穿戴傳感器》的研究論文。該論文針對(duì)當(dāng)前可穿戴式傳感器領(lǐng)域的共性瓶頸——供能和持續(xù)監(jiān)測(cè)問題,提出一種仿生植物可穿戴傳感器。

該論文的發(fā)表,標(biāo)志著新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)首次以第一完成單位身份,在全球頂尖學(xué)術(shù)期刊(Science、Nature、Cell)的子刊上發(fā)表研究成果。


圖為仿生植物可穿戴傳感器。該傳感器不再需要傳統(tǒng)電池,它能夠像植物一樣僅僅依靠太陽能,實(shí)現(xiàn)能量的完全自給自足和長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。受訪者提供


自2021年起,研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過三年潛心研究,攻克了為現(xiàn)有農(nóng)業(yè)傳感器提供穩(wěn)定電源的難題,提出一種仿生植物可穿戴傳感器——利用太陽能實(shí)現(xiàn)完全的能量自給自足,長(zhǎng)期持續(xù)監(jiān)測(cè)植物體內(nèi)莖流(植物健康的關(guān)鍵指標(biāo))。

從外觀看,仿生植物可穿戴傳感器像是一朵開放的“太陽花”,重量?jī)H40克,傳感器可以伸縮,適應(yīng)不同粗細(xì)的植物莖稈。常規(guī)傳感器在使用過程中需要外接設(shè)備支持,如電源、控制系統(tǒng)、通訊等,但該系統(tǒng)集成可折疊太陽能電池板,整合所有必要柔性電子組件,形成一個(gè)緊湊、輕便的系統(tǒng),適用于農(nóng)作物等小型植物。


仿生植物可穿戴傳感器的結(jié)構(gòu)和功能。受訪者提供


“該傳感器頂層是太陽能板,不再需要傳統(tǒng)電池,它能像植物一樣僅僅依靠太陽能,實(shí)現(xiàn)能量完全自給自足和長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。”劉湘江解釋,試驗(yàn)期間,我們給棉花、西瓜、南瓜、黃瓜等植物都戴過仿生“太陽花”,只要選取其中一兩株植物戴上,持續(xù)監(jiān)測(cè)植物體內(nèi)莖流,就能知道植物渴不渴。

此外,為應(yīng)對(duì)太陽能功率密度低挑戰(zhàn),團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一種受螢火蟲啟發(fā)的超低功耗光通信機(jī)制,將系統(tǒng)功耗成功降低了95%。結(jié)合無人機(jī)與深度學(xué)習(xí)算法,這一方法能夠高效地從大面積農(nóng)田中收集數(shù)據(jù)。


仿生植物可穿戴傳感器的結(jié)構(gòu)和功能。受訪者提供


謝麗娟說,該傳感器具有成本低廉、部署簡(jiǎn)單、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),具有較強(qiáng)可推廣性。通過傳感器獲取的作物莖流信息,可以準(zhǔn)確了解農(nóng)作物的需水量和耗水狀況,有效指導(dǎo)農(nóng)田灌溉。這項(xiàng)技術(shù)廣泛適用于新疆等干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn),為節(jié)水灌溉和抗旱作物選育提供有力技術(shù)支持。

新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士生王爽、浙江大學(xué)博士生柴揚(yáng)帆為論文的共同第一作者,劉湘江教授、謝麗娟教授為共同通訊作者。劉湘江教授是浙江大學(xué)援疆干部,于2020年10月起參加對(duì)新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)對(duì)口支援工作。參與該研究團(tuán)隊(duì)其他成員還包括新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)博士生王前、碩士生鄒宇、浙江大學(xué)助理研究員羅璇、碩士生葉偉康等。論文主要作者均為浙江大學(xué)智能生物產(chǎn)業(yè)裝備創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(IBE)成員。

該研究成果得到新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)—浙江大學(xué)新疆智能農(nóng)業(yè)裝備與機(jī)器人聯(lián)合研究中心大力支持。該中心成立于2023年,全力支持新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)科研水平和人才培養(yǎng)高質(zhì)量發(fā)展,為新疆經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供有力的科技支撐。

編輯:楊森林 趙敏  審核人:趙曉露

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