基于光学和红外特征模拟的植物仿生材料设计制备

发布时间：2022-04-19所属分类：农业论文浏览：1次

摘 要： 摘 要 植物自身的生理结构和蒸腾作用等生命特征 ，使其具有独特的光学和红外特征 。在光学波段由于叶绿素和水分的共同作用 ，植物叶片在 550 ，680 ，1 400 和 1 900 nm 等波长附近形成了明显的光谱反射特征变化 ;在红外波段由于植被蒸腾作用的驱动 ，使其具备主动调节

　　摘 要 植物自身的生理结构和蒸腾作用等生命特征 ，使其具有独特的光学和红外特征 。在光学波段由于叶绿素和水分的共同作用 ，植物叶片在 550 ，680 ，1 400 和 1 900 nm 等波长附近形成了明显的光谱反射特征变化 ;在红外波段由于植被蒸腾作用的驱动 ，使其具备主动调节自身温度的功能 ，红外特征异于人工材料 ;基于此提出了一种模拟植物光学和红外特征的仿生材料设计制备方法 。在绿色植物光学和红外特性及其形成机理分析基础上 ，进行了植物仿生材料的组分设计和热传导过程分析 ，完成了材料传热控制方程建立和结构参数确定 。利用水分吸附脱附材料 、光学颜料等人工材料 ，确定了基于光学和红外特征模拟的植物仿生材料制备方法 。以聚乙烯醇材料作为植物仿生材料的成型物质和水分吸脱附材料 ，以铬绿 、大分子黄等光学颜料作为材料着色剂 ，采用化学铸膜方法制备了植物仿生材料薄膜 ，并进行了实际测试验证 。吸脱附测试表明 ：一定厚度植物仿生材料样品吸附量可达 1.3 kg ・ m - 2 ，可满足材料日蒸腾耗水量的要求 ;光学和红外模拟效果测试表明 ：植物仿生材料在光学波段(380 ～ 2 500 nm) ，特别是 1 400 和 1 900 nm 波长附近植物水吸收波段)内能够较好模拟植被的光谱反射特性 ，且具有与绿色植物相似的红外辐射日周期变化趋势 ，与绿色植物的日平均辐射温差为 0.37 ℃ ，最大温差 0.9 ℃ ，其仿生和蒸腾过程模拟效果明显 。

　　关键词 植物仿生 ;光学 ;红外 ;蒸腾作用

　　引 言

　　植物的生命组织结构和生理活动特征 ，赋予其许多独特的性能 ，使其成为仿生研究领域模仿的重要对象之一 。例如 ，在军事伪装方面 ，光学伪装主要通过模拟植物的叶片独特的光谱反射性能 ，使得敌方侦察识别我方目标的概率大大降低或难以发现目标 ;在智能温控方面 ，通过模拟植物的温度主动调节特性 ，形成具有自主调控能力的智能温控系统 ，达到环保 、低碳的目的 。本研究通过分析绿色植物的光学和红外特性及其形成机理 ，完成了植物仿生材料的组分设计和传热控制方程建立 ，在此基础上基于光学颜料和水份吸脱附材料实现对植物光学和红外特性的模拟 ，并通过实际测试验证最终研究效果 。

　　国外 对 植 物 的 光 学 和 红 外 特 性 的 研 究 开 始 较 早 ， Penuelas 等学者对水指数与叶片内部相对水分含量的关系作了大量研究[1‐3] ，根据实验数据建立了水指数与叶片内部水分含量之间的经验关系式 ;此外 ，研究者对叶片的传热传质过程开展了系列的研究 ，系统包括了蒸腾作用 、光合作用和有氧呼吸等生理过程 ，以及对流 、辐射换热等非生理过程 ，并建立了相关模型 。国内近年来对植物仿生的研究工作进展迅速 ，国防科大刘志明等人基于典型被子植物叶片的结构及其组成成分提出了一种多层结构的仿生叶片原理模型 ，研究得出仿生叶片光谱反射特性与樟树叶片光谱反射具有0.998 3的反射光谱相似度[4] 。但是国内外针对植物光学和红外特性的仿生材料研究较少 。

　　1 实验部分

　　1.1 植物光学特性及形成机理

　　植物的光学特性主要体现在植物叶片的光谱反射特性 ，典型光谱特性曲线如图 1 所示 。植物叶片的光谱反射特性主要由叶片内部的叶绿素和细胞中的水决定[5‐7] ：由于绿色素的作用 ，叶片在 530 nm 绿光波段附近有一个特征反射峰 ，在650 ～ 680 nm 红光波段有一个低反吸收区段 ;由于叶片水份的作用 ，其在 1 400 和 1 900 nm 左右存在明显的水分吸收峰 。

　　1.2 植物红外特性及形成机理

　　由于植物叶片的发射率基本在 0.9 左右[8] ，因此其红外特性主要体现在其温度特性 ，植物内部结构中大量存在的水份 ，赋予其较大的热惯量 ，其温度变化趋势相对于人工材料趋缓 ;而植物蒸腾作用将其根部从土壤中吸收的水分输送到叶片 ，再由叶片以水蒸气的形式散发到环境中去 ，该过程引起的潜热变化则可有效调控叶面温度 ，使其具有自身温度调节功能 ，从而形成独特的红外辐射特性 。

　　蒸腾作用的强度可以用蒸腾速率来表示 ，它是反映植物蒸腾作用的重要指标 。利用 AP4 型气孔计在江苏无锡马山地区 ，实际测试了大阔叶 、冬青 、杜鹃 、山茶 、小阔叶 、野樟树以及野竹子等植物春夏秋冬的蒸腾速率 ，将蒸腾速率数据对全天积分可得到各植物日蒸腾总量 ，测试结果表明几种植物的平均日蒸腾耗水量在 1 kg ・ m - 2左右 ，最大日蒸腾耗水量为 1.33 kg ・ m - 2 ，最小日蒸腾耗水量为 0.55 kg ・ m - 2 。根据植物的蒸腾性能 ，及其在大气环境中受到的太阳辐照 、与环境之间热交换 ，可建立植物叶片与环境能量交换的模型[9‐11] ，优化计算得出 ：蒸腾作用在叶片的热交换过程中占重要作用 ，对流换热 、辐射换热以及蒸腾作用引起的蒸发潜热整 个 夏 季 白 天 的 总 量 分 别 占 比 例 分 别 为 31.37% ，32.63% ，36% ;蒸腾作用带走的这部分蒸发潜热对叶片温度产生显著的冷却作用 ，可以计算出蒸腾作用蒸发潜热对叶片温度产生的影响范围在 2 ～ 10 ℃ 。

　　1.3 植物仿生材料设计

　　根据植物的光学和红外特性及形成机理 ，设计利用有机高分子材料对水分的吸收 、保持和脱附作用 ，以及光学颜料的光谱反射匹配 ，来仿生模拟植被叶片中的光学反射性能和调控红外辐射的蒸腾作用 。光学颜料匹配植物叶片中的叶绿色反射性能 ，材料保有的水分模拟叶片中组织液 ，材料的水分吸附/脱附过程模拟植物的蒸腾作用 。基于此植物仿生材料的传热模型可用图 2 表示 。

　　根据材料的基本吸脱附性能 、密度和导热等基本性能 ，计算得到当材料达到一定厚度时 ，植物仿生材料可通过自身水分吸附脱附对其表面温度进行调控 ，在一定程度上可以形成对植物红外特征的模拟 。

　　1.4 材料制备

　　有机水溶性高分子是一种较常见的水蒸气吸脱附剂 ，研究确定以成膜性能好 、吸脱附性能合适的聚乙烯醇材料作为植物仿生材料的成型物质和水分吸脱附材料 ，测试筛选确定铬绿 、大分子黄等光学颜料作为材料着色剂 。采用化学方法制备了植物仿生材料 ，主要分为以下两个步骤 ：

　　配置铸膜液 ：称取一定量的去离子水和聚乙烯醇加入到室温的去离子水中 ，同时滴加聚醚型消泡剂 ，用搅拌器搅拌聚乙烯醇溶液 ，使之分散均匀 ，90 ℃ 加热边搅拌 2 h ;降低温度至 70 ℃ ，称取一定质量的 L‐苹果酸(交联剂) ，乙酸(催化剂) ，氯化锂 ，氧化铬绿等光学颜料置于聚乙烯醇溶液中 ，加热搅拌至完全溶解 ，得到铸膜液 ;将铸膜液抽真空脱泡 ，静置备用 。

　　制备植物仿生材料薄膜 ：将聚醚砜膜/纱布平铺于聚四氟乙烯板上 ，铸膜液在聚醚砜膜上平铺一定厚度 ;将膜置于烘箱中 ，100 ℃ 烘干 1 h ，促使聚乙烯醇交联 ;将膜移至温度60 ℃ 、相对湿度 10% 恒温箱中 ，时间持续 2 h ，促使铸膜液中的溶剂挥发 。

　　1.5 水分吸脱附性能表征

　　利用 ASAP2020M 装置和恒温恒湿箱测试了植物仿生材料的水分吸附脱附性能 ，测试结果如图3所示 ，从图中可以看出 ，制成样品后 ，样品的整体吸附量可达 0.7 g ・ g - 1 ，根据其密度可计算 1.5 mm 厚样品吸附量可达 1.3 kg ・ m - 2 ，而大部分植物仿生材料的日蒸腾量为 1 kg ・ m - 2左右 ，可满足植物仿生材料日蒸腾耗水量的要求 。

　　1.6 光学和红外模拟效果测试

　　光学和红外模拟效果测试在无锡马山地区进行 ，时间为2013 年 10 月 22 日至 10 月 24 日 ，试验样品为植物仿生材料薄膜 。植物仿生材料薄膜设置于绿色植物附近 ，以绿色植物和常规人工材料为测试对比设置测试点 ，保证两者具有相同的环境条件 ，且测试过程中可同时获取仿生材料和绿色植物的红外热图 ，现场布置图如图 4 所示 。

　　2 结果与讨论

　　2.1 光学特性模拟效果

　　测试结果采用 HR1024 光谱仪野外对比测试植物仿生材料和茶树 、灌木的的野外光谱反射特性 ，采集波段为380 ～ 2 500 nm ，结果如图 5 所示 。

　　相关知识推荐：仿生流体方面论文发表sci期刊经验分享

　　从图 5 中可以得到 ，植物仿生材料在 380 ～ 2 500 nm 光学波段内能够较好模拟植被的光谱反射特性 ：在 550 和 680 nm 等绿色素主要特征波段 ，由于光学颜料的作用仿生材料能够较好模拟植物的变化趋势 ，反射率比较接近 ;在 1 420和 1 900 nm 左右的水分吸收特征峰 ，由于材料内部水分作用仿生材料也体现了极佳的匹配性 。

　　2.2 红外特性模拟效果测试结果

　　利用 FLIR S65 红外热像仪 ，在 8 ～ 14 μm (长波)波段 ，对植物仿生材料和绿色植物在 24 h 内的红外热图变化进行观察测量 。在距离植物仿生材料约 1 ～ 5 m 的直线距离上架设红外热像仪 ，保证样品与背景位于视场内 ，依次采集植物仿生材料和植物的红外热图 ，测试时间间隔为 1 h 。图 6 给出了植物仿生材料和绿色植物在 24 h 内关键时间点的红外热图及各时刻点环境参数 。

　　根据图 6 可以统计得到全天时间内植物仿生材料与绿色植物的红外辐射温差如图 7 所示 。

　　从图 7 中可以看出 ：植物仿生材料由于引入了自主水分吸脱附机制 ，能够较好模拟植物中水分的蒸腾作用 ，体现了极佳的自主温度调节性能 ，具有与绿色植物相似的红外辐射日周期变化趋势 ，仿生材料与绿色植物的日平均辐射温差为0.37 ℃ ，最大温差 0.9 ℃ ;对比常规人工材料 ，植物仿生材料与绿色植物红外辐射特性的一致性明显要高 ，仿生效果明显 。

　　3 结 论

　　(1)植物由于自身的生理结构和蒸腾作用等生命特征 ，使其具有独特的光学和红外特征 。在光学波段由于叶绿素和水分的共同作用 ，使其在 550 ，680 ，1 400 和 1 900 nm 等波段左右形成了明显的光谱反射特征变化 ;在红外波段由于植被蒸腾作用的驱动 ，使其具备主动调节自身温度的功能 ，红外特征异于人工材料 。

　　(2)利用水分吸附脱附材料 、光学颜料等人工材料 ，完成了基于光学和红外特征模拟的植物仿生材料的制备 。以聚乙烯醇材料作为植物仿生材料的成型物质和水分吸脱附材料 ，以铬绿 、大分子黄等光学颜料作为材料着色剂 ，采用化学铸膜方法制备了植物仿生材料薄膜 。

　　(3)设计了植物仿生材料的性妮测试方法 ，完成了材料的试验验证工作 。吸脱附测试表明植物仿生材料的水分整体吸附脱附量可达 0.7 g ・ g - 1 ，一定厚度样品吸附量可达 1. 3 kg ・ m - 2 ，可满足材料日蒸腾耗水量的要求 ;光学和红外模拟效果测试表明植物仿生材料在光学波段(380 ～ 2 500 nm )内能够较好模拟植被的光谱反射特性 ，且具有与绿色植物相似的红外辐射日周期变化趋势 ，与绿色植物的日平均辐射温差为 0.37 ℃ ，最大温差 0. 9 ℃ ，其仿生效果和蒸腾过程模拟明显 。——论文作者：蒋晓军1 ，2 ，吕绪良1 ，潘家亮2 * ，张拴勤2

　　References

　　[ 1 ] Penuelas J ，Pinol J ，Ogaya R ，et al .International Journal of Remote Sensing ，1997 ，18(13) ：2869 .

　　[ 2 ] Claudio H C ，Cheng Y ，Fuentes D A ，et al .Remote Sensing of Environment ，2006 ，103(3) ：304 .

　　[ 3 ] Rollin E ，Milton E .Remote Sensing of Environment ，1998 ，65(1) ：86 .

　　[ 4 ] YANG Yu‐jie ，HU Bi‐ru ，WU Wen‐jian(杨玉杰 ，胡碧茹 ，吴文健) .Journal of National University of Defense Technology (国防科技大学学报) ，2011 ，33(5) ：50 .

　　[ 5 ] Dodd I ，Critchley C ，Woodall G ，et al .Journal of Experimental Botany ，1998 ，49(325) ：1437 .

　　[ 6 ] Sims D A ，Gamon J A .Remote Sensing of Environment ，2002 ，81(2 - 3) ：337 .

　　[ 7 ] Sims D A ，Gamon J A .Remote Sensing of Environment ，2003 ，84(4) ：526 .

　　[ 8 ] M EI An‐xin ，PENG Wang‐lu ，QIN Qi‐ming ，et al(梅安新 ，彭望琭 ，秦其明 ，等) .Introduction to Remote Sensing (遥感导论) .Beijing ： Higher Education Press (北京 ：高等教育出版社) ，2010 .

　　[ 9 ] Raschke K .Annual Review of Plant Physiology ，1960 ，11(1) ：111 .

　　[10] Jones H G .Plants and Microclimate ：a Quantitative Approach to Environmental Plant Physiology ：Cambridge University Press .1992

　　[11] Hong Ye ，Yuan Zhi ，Zhang Shuanqin .Journal of Bionic Engineering ，2013 ，10(2) ：170 .