1月13日，浙江大學生物系統工程與食品科學學院平建峰、應義斌教授團隊（IBE）聯合中科院北京納米能源與系統研究所、美國佐治亞理工學院的合作者在Nature子刊（Nature Food）上發表研究論文“Stimulation of ambient energy generated electrical field on crop plant growth”（圖1）。該研究報道了一種自供電的作物電刺激系統，該系統基于一個由風能和雨滴能驅動的摩擦納米發電平臺。通過產生自供電的高壓電場，該系統可提高豌豆種子的發芽及生長速度，并可實現多種農業傳感器的無電池驅動。   　　農業化學革命極大地提高了作物產量，但化肥和農藥的濫用給環境帶來了巨大負擔，進而給人類健康帶來了額外的風險。因此，有必要開發新的作物增產技術，幫助傳統農業減少對農用化學品的依賴，同時最大限度地實現農業產量的可持續增長。相關研究發現，外部高壓靜電場不僅可以用來縮短植物種子的發芽期，還能加速植物幼苗的生長。目前，商業化的農用高壓靜電場供能以市電為主，且在實際使用中存在著電路鋪設困難、安裝成本高和電擊危險等問題，這大大限制了該類型技術在農業中的廣泛應用。近年來，源于接觸起電和靜電感應耦合效應的摩擦納米發電技術的發明為解決這一問題提供了新方案。基于該技術研發的摩擦納米發電機（Triboelectric nanogenerator, TENG）具有輸出電壓高、成本低、重量輕、材料選擇性廣等優點，可以從外部環境中收集各種機械能并直接轉化為電能，以實現大規模自供電傳感及供能網絡。因此，針對電促生長技術在農業應用中的實際困難，研究人員提出將TENG替代傳統高壓靜電場電源以實現作物的自供電電刺激生長。得益于TENG結構和材料的高度可調特性，優化設計了一種由環境風能、雨滴能驅動的高性能全天候摩擦納米發電機（All-weather triboelectric nanogenerator, AW-TENG），并以該發電機作為高壓電源開發了自供電作物電刺激系統（圖2）。   　　在這項研究中，實現AW-TENG在微風下的持續高輸出至關重要，研究人員利用軸承作為摩擦層的間隔物、兔毛作為電荷補充材料，并設計了一體化非接觸式結構。這些獨特設計避免了AW-TENG中的摩擦和損耗，以及長時間工作后靜電力導致的啟動風速增大，并大幅降低啟動力矩（~90%），可實現超小啟動風速（~0.5 m/s）以及微風驅動下的高電壓持續輸出（~3kV）。隨后，研究人員基于優化后的AW-TENG設計了自供電電刺激系統，以探究和驗證自供電電場對作物發芽及生長的促進作用。結果顯示，經過自供電靜電場處理后的豌豆種子發芽顯著加快（~26.3%），豌豆苗的生長速率也獲得了提升（~17.9%）。通過對自供電靜電場刺激豌豆生長的機理探究，研究人員認為生長加速的原因可能來自于靜電場對豌豆呼吸強度、光合作用以及其他生理活動的增強，但電場對植物影響的具體機制還需要進一步挖掘。此外，還探究了該自供電電場對大豆、小白菜等其他作物生理活動的影響。最后，該工作還研究了自供電系統在農業傳感方面的應用可行性，將其用于農業環境中溫濕度、土壤pH以及水中溶解性總固體含量的自供電監測。該技術的研發對實現農業中作物電刺激系統的廣泛布設以及自供電傳感網絡的建立具有重要學術意義。   　　該研究論文的第一作者是浙江大學博士研究生李遜甲，通訊作者為平建峰研究員、中科院北京納米能源與系統研究所駱健俊博士以及王中林教授（美國佐治亞理工學院終身董事教授、中科院外籍院士）。平建峰是國家優秀青年基金獲得者，浙江大學生物系統工程與食品科學學院應義斌教授團隊（IBE）的核心成員。主要從事農業信息學領域的交叉研究工作，在植物生命信息微納感知（Advanced Science 2021）、農業環境信息無源感知（Nano Energy 2021）、農業環境微能量獲取技術（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