人造树叶从风和雨滴中汲取能量

SERENA ARMIENTO

This article is part of our exclusive IEEE Journal Watch series in partnership with IEEE Xplore.

当人们谈到从水或风中获取能源时，首先想到的可能是一座大型水电站或风电场。

近日，意大利的研究人员开发了一种能量收集系统，该系统可以嵌入植物中，并通过雨滴或风发电。在下雨或刮风的情况下，该设备可以产生足够的电力来点亮LED灯并为自己供电。2月28日发表在《IEEE机器人与自动化快报》上的一项研究对这种新设备进行了描述。

Fabian Meder是位于热那亚的意大利技术研究院研究生物启发软机器人的研究员。他指出，依靠树叶产生能量的系统对农业应用和远程环境监测尤其有用，因为在远程环境监测中，需要自供电传感器来观察植物健康或监测气候条件。

Meder和他的同事创建的设备包括一片人造叶子，叶子底部有一层硅弹性体，并添加在真实植物的叶子中。Meder解释道：“当（叶子）在风中移动时，两个表面相互接触并再次分离，在植物的叶子角质层和我们的设备上产生静电荷。这些电荷被诱导进入植物的内部细胞组织，在那里它们产生电流。我们可以通过插入植物组织的电极来获取这种电流。”

嵌入植物中的几种现有能量采集器使用类似的技术从风中发电，但该研究小组将他们的工作向前推进了一步，使他们的设备也能从雨滴中获取能量。

有机硅弹性体层位于人造树叶的底部，以从树叶的沙沙声中产生和获取静电荷，而人造树叶的顶侧有一个不同的氟化乙烯-丙烯（FEP）层。当雨滴落在这一顶层时，它们会给表面充电，并连接嵌入人造树叶内部和顶部的电极，形成电容器。当雨滴在树叶表面收缩和扩散时，电极之间的电容耦合发生变化，产生电流。

Artificial leaf creates electricity from raindrops and wind YOUTU.BE

在他们的研究中，研究人员将他们的人工叶片系统嵌入一种活的夹竹桃植物的叶片中，并评估其在不同降雨量和风力下获取能量的能力。他们发现，单个水滴会产生超过40伏和15微安的电压和电流峰值，并且可以直接为11个LED灯供电。

机器人学副主任、印度理工学院仿生软机器人实验室主任Barbara Mazzolai也参与了这项研究，她说：“研究结果表明，该设备可以单独或同时采集风能和雨水，使其成为多功能能量采集器或自供电传感器。”

她指出，像这样仅依靠风能的现有能源收集系统，当表面变湿的情况下，往往产生的电力更少。然而，研究人员报告称，他们的新设备实际上可以在潮湿的条件下产生更多的电能，通过其顶部的FEP层从雨滴中收集能量。

根据这项研究的结果，研究人员认为，通过对电极和材料的形状等设计修改，他们的人造叶子的性能可能会进一步提高。

Mazzolai表示：“我们已经就这项技术提交了专利申请，并正在分析潜在的市场。尽管如此，在确定最终产品之前，仍有必要进行一些研究。例如，我们希望在室外和强烈变化的风雨条件下对系统进行详细测试。”