Reducing the amount of agricultural sprays used by farmers—including fertilizers, pesticides, and herbicides—could cut down the amount of polluting runoff that ends up in the environment while at the same time reducing farmers' costs and perhaps even enh
减少农民使用的农业喷雾量，包括化肥、杀虫剂和除草剂，可以减少最终进入环境的污染径流量，同时降低农民的成本，甚至可能提高他们的生产力。经典的三赢游戏
麻省理工学院的一个研究团队和他们创办的一家衍生公司开发了一个系统来实现这一目标。他们的技术在将水滴喷洒到田地上时，在水滴周围添加了一层薄薄的涂层，大大减少了水滴从叶子上反弹并最终浪费在地上的倾向。相反，涂层液滴会按预期粘在叶子上
这项研究今天发表在《软物质》杂志上，发表在麻省理工学院最近校友Vishnu Jayaprakash博士'22和Sreedath Panat博士'23、研究生Simon Rufer和麻省理工大学机械工程教授Kripa Varanasi的一篇论文中
最近的一项研究发现，如果农民不使用杀虫剂，他们将损失78%的水果、54%的蔬菜和32%的谷物产量。尽管它们很重要，但缺乏监测和优化喷雾的技术迫使农民依靠个人经验和经验法则来决定如何使用这些化学物质。因此，这些化学物质往往被过度喷洒，导致径流和化学物质最终进入水道或积聚在土壤中
研究人员指出，农药对全球健康和环境造成了重大损失。最近的一项研究发现，全球31%的农业土壤面临农药污染的高风险。农用化学品是农民的主要开支：在美国，他们每年仅在杀虫剂上就花费160亿美元提高喷洒效率是使粮食生产更具可持续性和经济性的最佳方法之一。农业喷洒本质上归结为将化学物质混合到水中，并将水滴喷洒到植物叶子上，这些叶子通常天生具有防水性。瓦拉纳西说：“我在麻省理工学院的实验室进行了十多年的研究，我们对喷雾以及液滴与植物之间的相互作用有了基本的了解，研究了它们何时反弹，以及我们必须使它们更好地粘附并提高覆盖率的所有方法。”
该团队之前已经找到了一种方法来减少从叶子上反弹的喷洒液体的量，该方法涉及使用两个喷嘴而不是一个，并喷洒带有相反电荷的混合物。但他们发现，农民不愿意承担将喷雾设备转换为双喷嘴系统的费用和努力。因此，该团队寻找了一种更简单的替代方案
他们发现，使用一个可以很容易地适应现有喷雾器的单喷嘴系统，他们可以在液滴滞留方面实现同样的改善。它们不会给农药液滴充电，而是在每一滴上涂上一层薄薄的油性物质
在他们的新研究中，他们用高速摄像机进行了实验室实验。当他们将未经特殊处理的液滴喷洒到类似于许多植物叶子的防水（疏水）表面上时，液滴最初会扩散成煎饼状的圆盘，然后反弹成球并弹开。但是，当研究人员在液滴表面涂上少量油（占液滴液体的不到1%）时，液滴会扩散并保持原位。这种处理使液滴的“粘性”提高了一百倍
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Rufer说：“当这些液滴撞击表面并膨胀时，它们会形成一个油环，基本上将液滴固定在表面。”。他说，研究人员尝试了各种各样的条件，并解释说，他们进行了数百次实验，“不同的冲击速度、不同的液滴大小、不同的倾斜角度，所有这些都充分表征了这种现象。”尽管不同的油的有效性各不相同，但它们都是有效的。他说：“无论冲击速度和油量如何，我们都看到反弹高度明显较低。”
这种效果适用于极少量的油。在最初的测试中，他们使用了1%的油，然后他们尝试了0.1%，甚至0.01%。附着在表面的液滴的改善率继续保持在0.1%，但超过这个水平后开始分解。鲁弗说：“基本上，这种油膜是一种将液滴捕获在表面上的方法，因为油非常被表面吸引，并将水固定在适当的位置。”
在研究人员的初步测试中，他们使用豆油作为涂层，认为这对他们合作的农民来说是一种熟悉的材料，其中许多农民都在种植大豆。但事实证明，尽管他们正在生产豆子，但这些油并不是他们通常在农场使用的供应链的一部分。在进一步的测试中，研究人员发现，农民在喷雾中已经经常使用的几种化学物质，称为表面活性剂和佐剂，可以替代使用，其中一些化学物质在保持液滴粘附在叶子上方面也有同样的好处
瓦拉纳西说：“这样的话，我们不会在他们的领域引入新的化学物质或改变化学物质，但他们正在使用他们早就知道的东西。”瓦拉纳西和贾亚普拉卡什成立了一家名为AgZen的公司，将该系统商业化。为了证明他们的涂层系统在多大程度上提高了植物上的喷雾量，他们首先必须开发一个实时监测喷雾的系统他们称之为RealCoverage的系统已部署在从几十英亩到数十万英亩的农场，以及许多不同的作物类型中，仅通过改善对现有喷雾的控制，就为农民节省了30%到50%的农药支出
该公司表示，该系统将在2025年部署到92万英亩的作物上，包括加利福尼亚州、德克萨斯州、中西部、法国和意大利的一些作物。研究人员表示，使用新喷嘴添加隐形系统，效率至少会再提高一倍
该研究论文的主要作者、AgZen的首席执行官Jayaprakash说：“如果你能节省美国种植者6%的农药预算，你就可以给他们10亿美元的回报。”。“在实验室里，我们在植物上获得了300%的额外产品。这意味着我们可以大幅减少农民喷洒的农药量。”
农民已经在使用这些表面活性剂和助剂化学物质来提高喷洒效果，但他们将其与水溶液混合。为了使其产生任何效果，他们不得不使用更多的这些材料，这有可能导致植物烧伤。新的涂层系统减少了这些材料的用量，同时提高了它们的有效性
Jayaprakash说，在AgZen进行的田间试验中，“我们通过改变佐剂的位置，将羽衣甘蓝和大豆上的产品量增加了一倍”，从混合到涂层。这对农民来说很方便，因为“他们所做的就是更换喷嘴。他们正在让所有现有的化学物质更好地发挥作用，并且他们在植物上获得了更多的产品。”而且这不仅仅是杀虫剂。瓦拉纳西说：“真正酷的是，这对叶子上的每一种化学物质都有用，无论是杀虫剂、除草剂、杀菌剂还是叶面营养。”。今年，他们计划在约3万英亩的农田上引入新的喷雾系统
瓦拉纳西表示，随着世界人口的增长，“粮食产量必须翻一番，我们的资源有限，例如，我们无法将耕地翻一番……这意味着我们目前耕种的每一英亩土地都必须变得更有效率，能够用更少的资源做更多的事情。”瓦拉纳西说，这些改进的喷雾技术，用于监测喷雾和涂覆液滴，“我认为正在从根本上改变农业。”AgZen最近筹集了1000万美元的风险融资，以支持这些技术的快速商业部署，这些技术可以改善对农业化学投入的控制 瓦拉纳西说：“我们从每一片叶子中收集的知识，结合我们在界面科学和流体力学方面的专业知识，让我们对化学品的使用和开发有了无与伦比的见解，很明显，我们可以在整个农用化学品供应链中创造价值。”“我们的使命是利用这些技术为农业行业提供更好的结果和更低的成本。”