在現(xiàn)代文明社會(huì),，電已經(jīng)是不可缺少的重要能源,。人類獲取電能的方式多種多樣，水力,、火力,、風(fēng)甚至核能,。但很少有人知道，其實(shí)大自然的不少植物中也蘊(yùn)含著電能,，雖然微弱,，但積少成多依然可以發(fā)揮不小的作用。北京林業(yè)大學(xué)的李偉林等同學(xué)打起了“從樹木中取電”的主意,，他們?cè)诶蠋煹闹笇?dǎo)下歷時(shí)一年開展樹木與土壤間微電能的采集存儲(chǔ)研究,，終于研發(fā)出一套“植物充電寶”。

李偉林介紹,，“植物充電寶”是就地取材,，利用樹木內(nèi)部液流與周圍土壤之間產(chǎn)生的微弱植物電能，采集并升壓存儲(chǔ),，從而為布設(shè)在人跡罕至,、環(huán)境艱苦的野外地區(qū)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等低功耗設(shè)備供電,。該作品在今年的第九屆“挑戰(zhàn)杯”首都大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽中獲得了一等獎(jiǎng)。

英國學(xué)者最早發(fā)現(xiàn)“植物電”

2012年,，李偉林考入北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院,。也是在這一年，工學(xué)院院長李文彬教授主持了國家自然科學(xué)基金“活立木生物電產(chǎn)生機(jī)理及其收集方法研究”的項(xiàng)目,。李偉林后來的研究指導(dǎo)老師高林副教授,，在這個(gè)項(xiàng)目中主要負(fù)責(zé)植物電能的采集存儲(chǔ)研究。

這是一項(xiàng)非常前沿的研究項(xiàng)目,，英國學(xué)者于1873年在捕蠅草葉片表面上首次發(fā)現(xiàn)了微弱的植物電,，之后各國學(xué)者都對(duì)植物電的形成因素開展了研究。近年來,，植物電能的研究逐漸轉(zhuǎn)向應(yīng)用方面,，美國學(xué)者研究了以植物提供的微電能作為輸入的壓差升壓器，能將極小電壓增加至相對(duì)較高的1.1伏電壓,。不過由于升壓轉(zhuǎn)換及設(shè)備低能耗技術(shù)的限制,，植物電能應(yīng)用未能有顯著進(jìn)步。

2015年,，升入大三的李偉林和其他3位同學(xué)一起跟隨高林老師,，開始了關(guān)于植物充電裝置研發(fā)工作的大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目，“傳統(tǒng)的科學(xué)研究僅僅探測到了植物內(nèi)存在帶電粒子的運(yùn)動(dòng),，檢測到了電流的產(chǎn)生,，卻并沒有對(duì)這種電能進(jìn)行收集和儲(chǔ)存?！崩顐チ终f,，他們的主要目標(biāo)就是將植物內(nèi)部的電壓“提取”并儲(chǔ)存起來。

粗看,，這幾乎是不可能完成的任務(wù),，幸好李偉林他們之前已經(jīng)經(jīng)歷過電子元件、電路設(shè)計(jì)的訓(xùn)練——他們做了一臺(tái)草坪修整機(jī),，可以根據(jù)自己的設(shè)計(jì)將草坪修剪出個(gè)性化的圖案,，“知道很困難，但大家都很有熱情,，就義無反顧地投入了進(jìn)去,。”李偉林說,。

樹干上測出最高500毫伏電壓

在李文彬和高林兩位指導(dǎo)老師的支持下,，李偉林和伙伴們的研究開始了。盡管此前的科學(xué)研究已經(jīng)證實(shí)了“植物電”的存在，但要“取電”就必須了解樹木帶電的具體特點(diǎn),，包括數(shù)量級(jí),、變化趨勢等。抱著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)精神,，他們決定從頭做起,。

在工科樓實(shí)驗(yàn)室和北林大的校園里，李偉林他們拿著各種電極,、導(dǎo)線和萬用表,，對(duì)不同樹種、不同連接方式進(jìn)行反復(fù)測試,，美國梧桐,、欒樹、油松……因?yàn)閷?dǎo)電用的小號(hào)螺絲釘要扎入樹皮內(nèi)部,，他們還專門向校園的園林部門提交了申請(qǐng)，得到大力支持,，“小號(hào)螺絲釘不會(huì)對(duì)樹木的正常生命活動(dòng)產(chǎn)生影響,，這種方法屬于無損檢測?！崩顐チ终f,，盡管如此，他們的實(shí)驗(yàn)還是小心再小心,、仔細(xì)再仔細(xì),，“我們是林業(yè)大學(xué)的學(xué)生，對(duì)樹木的研究一定要科學(xué)化,、規(guī)范化,。”

測試的原理是這樣的：樹干作為負(fù)極,，其根部周圍的土壤作為正極,，通過電極、導(dǎo)線相連接,，如果的確存在電勢差,，就可以形成一個(gè)通電回路，萬用表就可以測到電壓,。功夫不負(fù)有心人,，電路接通的一瞬間，電表的數(shù)值猛然跳動(dòng),，讓李偉林和伙伴們歡呼雀躍,。當(dāng)然，只測一次肯定不行。從2015年6月到2016年6月,，他們整整收集了學(xué)校十多株不同品種的樹一年的電壓值,，最高時(shí)的瞬時(shí)電壓能達(dá)到500多毫伏。

這些電被積累到了超級(jí)電容,，經(jīng)過平均二十多天的積累,，單個(gè)電容就可以存儲(chǔ)約300毫伏的電壓，從而創(chuàng)新地收集到了植物中的電能,。

夏季最快8天充滿一支電容

電容收集到電勢差后,，如何升壓存儲(chǔ)到鋰電池中也是個(gè)問題。李偉林說,，由于野外環(huán)境特殊,，植物電能在升壓過程沒有外界電能幫助，“沒有‘人工變壓器’,，就需要實(shí)現(xiàn)無源升壓,。”經(jīng)過反復(fù)選型對(duì)比測試,，他們又確定了升壓電路所要用的各種電子器件,，并設(shè)計(jì)制作了電路板。他們創(chuàng)新地就地取材,，利用樹木放出的電本身作為升壓電路的啟動(dòng)電壓,，然后又不斷通過實(shí)驗(yàn)改進(jìn)升壓電路設(shè)計(jì)，最終既實(shí)現(xiàn)了環(huán)境能量自供電,，又將電能轉(zhuǎn)化效率保持在了50%以上,。

記者在李偉林的實(shí)驗(yàn)室見到了他們最新改進(jìn)的“植物充電寶”。這個(gè)裝置的主體如同一個(gè)餅干盒大小,，打開后里面是密布的20個(gè)電容以及電路板,、導(dǎo)線?！俺潆妼殹绷硪欢诉B接的是一條黑色的“腰帶”,，里面“扎”著20枚螺絲釘，“這條‘腰帶’就是綁在樹上的,，釘子進(jìn)入樹干,，進(jìn)行電路連接。每一枚釘子通過導(dǎo)線連接一個(gè)電容,?！崩顐チ纸榻B，原來是純導(dǎo)線連接,，后來發(fā)現(xiàn)遇到雨雪天氣,，電路容易不穩(wěn)定,，因此用“腰帶”進(jìn)行了優(yōu)化。

經(jīng)過升壓存儲(chǔ)后的植物電電壓范圍為3.6伏至5伏,，這個(gè)電壓已經(jīng)足夠向大部分傳感器設(shè)備提供電源,。以我們?nèi)粘Ｊ褂玫钠胀ǔ潆妼殲槔o手機(jī)充電的輸出電壓就是5伏,。

李偉林說,，雖然植物電能從被發(fā)現(xiàn)至今已有100余年，但對(duì)于其產(chǎn)生機(jī)理,、影響因素的分析研究始終沒有停止,。針對(duì)這個(gè)問題他們做了大量的實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)樹種,、溫濕度,、天氣、電極材質(zhì)都會(huì)影響到電勢差的大小,，而且受溫度影響,，同一樹種不同季節(jié)測量的電勢差變化顯著，以美國梧桐為例,，冬季電容存儲(chǔ)300毫伏電壓需要18天,，而夏季只需要8天。但無論什么樣的環(huán)境,，只要植物正常生長，保持新陳代謝活動(dòng),，植物電能會(huì)一直存在,。

植物供電可降低成本超八成

截至記者發(fā)稿，李偉林他們的成果已經(jīng)申請(qǐng)了兩項(xiàng)發(fā)明專利和一項(xiàng)實(shí)用新型專利,。李偉林告訴記者,，植物電能供電相比傳統(tǒng)供電方式和其他環(huán)境能量供電方式具有較大優(yōu)勢。實(shí)際應(yīng)用中對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備的供電大多采用電池供電方式,，采用植物電能供電可以避免更換電池的問題,。與太陽能、風(fēng)能等供電方式相比,，植物電能供電可降低80%到90%的成本,，且受天氣影響較弱。

更為現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用是在野外對(duì)于野生動(dòng)物的監(jiān)測上,。記者了解到,，國家已經(jīng)決定設(shè)立東北虎豹國家公園，以有效保護(hù)和恢復(fù)東北虎豹野生種群,，這個(gè)國家公園橫跨黑龍江,、吉林兩省，總面積達(dá)1.46萬平方公里。在那里,，無論是科研監(jiān)測還是保護(hù),，都需要大量的非人工設(shè)備。因此,，未來植物電能有望為解決紅外圖像采集儀,、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)等野外監(jiān)測設(shè)備提供一種可靠穩(wěn)定的供電方式，意義重大,。

本報(bào)記者 張航 文并圖 J067