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
烏魯木齊晚報訊(全媒體記者江斌偉報道)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,實現(xiàn)能量的完全自給自足和長期穩(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,實現(xiàn)能量完全自給自足和長期穩(wěn)定工作。
近日,新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(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,實現(xiàn)能量的完全自給自足和長期穩(wěn)定工作。受訪者提供
自2021年起,研究團隊經(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——利用太陽能實現(xiàn)完全的能量自給自足,長期持續(xù)監(jiān)測植物體內(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”,重量僅40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,實現(xiàn)能量完全自給自足和長期穩(wěn)定工作。”劉湘江解釋,試驗期間,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)測植物體內(nèi)莖流,就能知道植物渴不渴。
此外,為應(yīng)對太陽能功率密度低挑戰(zhàn),團隊還開發(fā)了一種受螢火蟲啟發(fā)的超低功耗光通信機制,將系統(tǒng)功耗成功降低了95%。結(jié)合無人機與深度學(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、部署簡單、免維護等優(yōu)點,具有較強可推廣性。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月起參加對新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)對口支援工作。參與該研究團隊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)新團隊(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)濟社會發(fā)展提供有力的科技支撐。