文丨小志连着说

编辑丨小志连着说

(资料图片仅供参考)

前言

由于物联网的巨大进步，现代技术发生了革命性的变化。传感器是在互联网和周围环境之间架起桥梁的核心部件。节能通信网络的进步使得在偏远地区部署传感器成为可能。

这些传感器的主要缺点是它们使用锂离子电池供电，由于连接到物联网的设备数量众多，因此需要经常充电。

电池使用后留在环境中的有害化学物质是另一个问题。由于现代纳米级传感器仅需要纳米级功率，因此纳米发电机可以在提供自供电传感器方面发挥重要作用，这种技术正在不断发展，可以从压电和热释电效应中获取小规模能量。

这种技术重量轻，但不符合成本效益且不可生物降解。我们提出了一种基于活植物的绿色、可持续的能量收集系统，因为植物是无可争议的太阳能发电冠军，其运行效率接近100%。植物能源发电是一种通过植物与一对电极之间的化学反应从活植物中获取电能的方法。无论环境条件如何，这种能量全天候24×7可用。

纳米发电机

互联网让世界变成了一个小村庄，智能事物之间可以交互，现实世界的信息和知识可以有效地融入数字世界。这些东西不仅包括通信设备，还包括通过无线通信网络控制的物理对象，例如汽车、计算机和家用电器。

物联网是指将数十亿个物理设备连接到互联网以收集和共享数据，以做出协作决策以完成任务最佳方式。由于全世界对环境问题的认识不断提高，应考虑绿色物联网技术举措。绿色物联网侧重于减少物联网能源使用，这是满足减少CO2要求的必要条件排放量。

在过去的十年中，由于设备的小型化使得在许多应用中消耗更低的功率成为可能，从环境中的非常规来源收集能量已受到关注。传统上，传感器、可穿戴和便携式电子设备、手机、自动安全系统等都需要锂离子电池作为外部电源，但由于电池寿命有限且需要经常充电，因此不是永久性的且无需维护和更换。

研究人员提出了纳米发电机，用于从周围的机械运动中收集能量，使传感器自供电纳米发电机通常是一种能量收集装置，可以利用废弃的机械能发电。有几种基于压电效应、摩擦电效应、热释电效应和电磁感应的环境能量收集技术。

纳米发电机是一种不断发展的能量收集技术，可将人体运动、振动、流水、雨滴、风和废热等各种形式的机械能转化为电能。这种技术不具有成本效益，也不是24×7天可用的。由于这些原因，有必要为自主自供电传感器寻找一些其他替代绿色资源。

虽然从太阳收集电能是一项成熟且广为接受的技术，但这种技术有一个局限性，即只有在有阳光的情况下才能发挥作用。最近的科学探索表明，植物可能成为一种潜在的生物能源，不仅可再生，而且可持续且廉价。

植物被称为自养生物，因为它们可以利用光能来制作自己的食物。在光照和叶绿素存在的情况下，水和二氧化碳在植物的叶子中发生化学结合，生成葡萄糖。产生的葡萄糖支持植物的生长。这个过程称为光合作用，所有植物都会进行。

葡萄糖分子的分解

植物的呼吸作用是光合作用的逆过程，其中葡萄糖分子在氧气存在下分解以释放能量这两个过程诱导植物内部的电子流动，这些电子可以被一对电极捕获以获取电势。通过将电极嵌入植物并采用电化学过程，可以通过氧化还原反应将化学能转化为电能过程。

发生在阳极的氧化过程和发生在阴极的还原过程使电子从阳极流向阴极以产生电能。该系统被称为基于植物的电池，它提供了一种从活植物中获取直流电能的直接方法，未来可能用于为超低功耗设备和物联网传感器节点供电。

光合作用和呼吸过程的速率受外部环境因素的影响，例如空气中氧气和二氧化碳的浓度、土壤中的水量以及土壤的养分状况。

其他外部刺激，如伤口造成的压力、温度、光照强度变化和水分差异，也会影响植物中收集的电势。与非多肉植物相比，多肉植物产生的电压高得多，因为CAM植物含有更多的基因。

多肉植物是保水性植物，可以在叶、茎、根中储存水分，以在干燥的环境中生存。库拉索芦荟米勒和虎尾兰植物属于肉质植物科。这些植物可以在热带、亚热带、温度较高的地区生长，并在夜间使用CAM过程交换氧气和CO2。

CAM过程使它们能够抵御干旱，因为它们的气孔仅在夜间打开，以防止水在烈日下通过蒸发逸出。研究人员已经注意从中收集电能芦荟植物。

主要缺点芦荟植物是一旦电极插入叶子，叶子染色更快，并且由于电极与凝胶之间的化学反应，其存活率很短芦荟尽管它的硬度和独特的自我修复能力。

它也不会在野外生长，但需要栽培。由于这些原因，引起了人们的注意虎尾兰和植物收集电能。最多虎尾兰原产于非洲，尽管少数起源于印度和亚洲。这种植物是一种非常具有侵略性的入侵植物，能够在大范围的阳光下生长到部分阴影区域。

叶子虎尾兰

在我们对各种多肉植物的实验中，我们观察到电极对在叶子上的位置会影响收获电位。这芦荟植物从单片叶子产生0.76V，当两个电极彼此远离时增加到0.90V，而仙人掌在相同条件下仅产生0.88V。我们在以下情况下观察到0.92V虎尾兰当一个电极靠近根而另一个电极靠近单片绿叶的边缘时种植，而野草属在相同条件下，植物产生0.96V。

在另一个实验中，我们连接了两个虎尾兰通过选择柔软和成熟的叶子组合来串联种植。实验结果为1.78V和38μA电流。电流增加到45μA时虎尾兰和野草属植物以降低收集电压为代价串联连接。

当三个时，收获的电势达到2.44V虎尾兰植物串联起来，但电流只有22μA。当观察到2.75V的最大电势时虎尾兰,芦荟，和野草属植物串联在一起。这是由于不同的光合速率。因此，最好将不同的植物串联起来以获得最大的电能，而不是只使用一种植物。如果由于细菌活动减少而将铜电极插入土壤深处，则收获的电势会急剧下降。

自从虎尾兰和野草属植物是有利于收获更大电势的多肉植物，因此采用了这两种植物的五种可能组合。在这里，压力反映了插入电极后叶子的损伤或伤口量。结果表明，叶子中的损坏会大大降低收获电势，因为当所有三个串联连接的叶子都损坏时，收获电势仅为320mV，而只有2.50V芦荟叶子坏了。

由于自我修复能力虎尾兰和野草属植物大于芦荟植物，因此最好将这两个植物串联或并联连接而不是虎尾兰/野草属和芦荟植物。

叶子虎尾兰如果插入电极后发生任何伤口，植物可以存活更长时间，甚至可以自我修复。野草属植物是一种无茎植物，有20-35片线形、披针形、革质的叶子，基部加宽。它们呈灰绿色至绿色，长约40-60厘米。叶缘有细小的小齿。相比之下，这两种植物在收集电能时被忽略了芦荟植物。

实验对比

所有实验均在室内实验室进行，除非指定室温为28–30°C，平均湿度为49%。这些植物靠近一扇封闭的透明玻璃窗，以调节光线强度。我们使用铝和铜作为片状电极对。定期清洁这些电极对以去除污染物。收获的潜力是在各种条件下测量的，从单叶中获取电势虎尾兰植物和野草属植物，但收获的电流非常低。

在第二种情况下，使用了三个串联、并联或串并联组合的多肉植物。我们选了芦荟、香蕉和仙人掌植物进行比较。由于环境因素与植物电信号之间的密切关系，我们进行了各种实验来监测外部环境变化对收获电势的影响。

用于估计从中收集的电能的氧气释放潜力虎尾兰植物，我们将植物保存在环境温度下的防漏气密绿色聚乙烯袋中，以创造光照条件。适当地插入电极以避免任何气体泄漏。一天后，我们测得平均收获电势约为0.89V。

黑暗条件是通过用黑色袋子和绿色聚乙烯袋子覆盖植物来创造的。在两种情况下，聚乙烯袋的口都用万用表测量收集的电势的装置紧紧地系在一起。

三天后，我们在这种情况下测量到大约0.84V，而在6天后，收获的电位下降到280mV。这表明虎尾兰即使在黑暗条件下，植物也能在有限的时间内保持其氧气水平，并且在此期间在暗光下收获的电势不会受到影响。

光照强度是控制光合作用等植物中枢过程的主要因素。为了解光强对收获电势的影响，我们将虎尾兰在一个房间里，用15W的黄色和红色白炽灯泡分别照亮它。我们还使用7WLED灯泡照亮了植物。整个实验进行了5个小时。我们使用等式给出的公式测量了每30分钟后收获电势的相对百分比变化。

结论

多肉植物是未来取代锂离子电池为嵌入式物联网传感器供电的有利候选者。被选中的虎尾兰和野草属与植物相比，植物具有更高的自我修复能力和光合作用率，因此能够获取电势芦荟植物。由于光合作用的CO2电导率更高，这两种植物的组合比其他多肉植物收获更大的潜力。

我们在实验期间收集的最大功率为72μW，足以为嵌入式传感器供电，可以通过优化影响收集能量的各种因素来进一步增强。由于相关的寄生电容和电阻，所收集的电势随着时间以及两个电极之间的分离而下降。叶子上的伤口严重影响收获的潜力。

CO2含量和光照强度是影响多肉植物收获潜力的其他因素。这项研究证实，多肉植物喜欢虎尾兰和野草属植物证明自己是未来替代传统电池为传感器节点供电的绿色能源的候选者。

参考文献

关键词：