CN108882686A - 用于雾培的雾生成器 - Google Patents

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CN108882686A CN201780012451.9A CN201780012451A CN108882686A CN 108882686 A CN108882686 A CN 108882686A CN 201780012451 A CN201780012451 A CN 201780012451A CN 108882686 A CN108882686 A CN 108882686A
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Abstract

本发明涉及雾培培育箱(1)的使用，用于在雾培培育箱(1)内供应雾以用于栽培植物(16)。根据本发明的雾培培育箱(1)包括用于在雾培培育箱(1)内供应雾的雾化系统(23)，其中，所述雾化系统(23)包括微滴生成器(25)，所述微滴生成器(25)包括至少一个出口(26)，并且所述微滴生成器(25)配置成使得在使用中各出口(26)一次喷射一个液体的微滴。

Description

用于雾培的雾生成器
本申请涉及一种雾培(aeroponics)系统，特别地涉及一种用于栽培植物的雾培培育箱(propagator)。
雾培法是水培法的发展。水培法是在水基营养盐溶液中种植植物的技术。尽管该技术在100多年前就被人们已知，但直到第二次世界大战才被广泛使用，当时它被用来在世界上普通的种植方法无法实现的部分地区为军队提供绿色蔬菜。至今水培技术已经成熟并在许多国家得到广泛应用，并已被证明是温室中最经济的生产方法。但是初始成本巨大，并且岩棉/玻璃棉基质导致了传播疾病的载体产生，并且在每种作物之后产生大量不可燃废物，并且具有大的续生成本。这些缺陷促使人们不断寻求更好的技术。
20世纪60年代期间，英国温室作物研究所(UK’s Glasshouse Crops ResearchInstitute)由Alan Cooper博士开发了一种称为营养液膜技术(NFT)的水培系统。尽管该系统被广泛认为是水培生长技术的重大进步，但它具有许多缺陷。主要的缺陷是-虽然概念上很简单-其往往安装昂贵，并且由于疾病和营养控制问题而经常难以有利地操作。尽管有这些限制，NFT仍然对种植者有吸引力，使得已经在70多个国家使用。
雾培近年来获得了很多宣传。它被国际社会无土栽培学会定义为“其中根部连续或不连续地在营养液的细小微滴(薄雾(mist)或气溶胶(aerosol))饱和的环境中的系统”。该方法不需要基质并且需要生长植物的根部悬在腔室(根室)中，用营养物的细薄雾或雾周期性地雾化根部，该过程比其他种植技术使用的水少很多。自从约30年前建立以来，雾培技术已被证明非常成功用于繁殖并广泛用于植物生理学的实验室研究，但尚未在商业规模上证明自己。雾培也可以应用于危机情况，因为雾培系统可以设计为在太阳辐射水平降低(例如由于大气中高水平的细小火山灰颗粒)或洪水等情况下工作。
然而，商业雾培系统的主要限制是高的设备成本、基础设施成本(例如温室)和低的设备可靠性。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于栽培植物的雾培培育箱，所述雾培培育箱包括：用于在所述雾培培育箱内供应雾的雾化系统，其中，所述雾化系统包括微滴生成器，所述微滴生成器包括至少一个出口，所述微滴生成器配置成使得在使用中各所述出口一次喷射一个液体的微滴。
所述雾培培育箱可以包括多个出口并且所述出口可以以阵列形式布置。
所述微滴生成器可以包括压电致动器，所述压电致动器配置成控制微滴从所述至少一个出口的喷射。
所述雾培培育箱可以包括根室和与所述根室分离的叶室。所述雾化系统可以配置成向所述根室和/或所述叶室供应雾。
所述微滴生成器可以配置成喷射直径小于或等于约40μm，或优选小于或等于约30μm，或更优选小于或等于约20μm的微滴。
所述微滴生成器可以配置成从各所述出口每秒喷射约至少1000个微滴。
所述雾培培育室还可以包括由所述微滴生成器使用以生成微滴的液体的贮存器。所述液体的组成可以选择以包括RNA、固氮细菌、和/或用以促进从栽培植物中分离农产品的激素和/或化学制品中的至少一个。
根据另一个方面，可以提供一种在雾培培育箱内供应雾的方法，所述方法包括使用包括至少一个出口的微滴生成器生成微滴以形成雾，其中，所述生成步骤包括从各所述出口一次生成一个液体的微滴。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于栽培植物的雾培培育箱，所述雾培培育箱包括在使用中用于在所述雾培培育箱内供应雾的雾化系统，其中，所述雾化系统配置为使所述雾带电荷。
所述雾培培育箱可以包括根室和叶室。所述根室可以与所述叶室分离。所述叶室可以与所述根室分离，如将在下文进一步详细所述。所述雾化系统可以配置成向所述根室和/或所述叶室供应雾。
在使用中，所述雾化系统可以配置成使供应到所述根室的雾带电荷。
供应到所述根室的雾可以带负电荷。
在使用中，所述雾化系统可以配置成使供应到所述叶室的雾带电荷。
供应到所述叶室的雾可以带正电荷。
所述雾培培育箱还可以包括至少一个网状网，并且可以配置成使所述雾通过所述至少一个网状网以改变所述雾的电荷。
所述雾培培育箱可以包括多个网状网，所述多个网状网布置使得带电荷的雾相继通过各所述网状网。
所述雾培培育箱可以包括具有第一端和第二端的长形结构，所述雾化系统可以包括吹风装置，所述吹风装置构造成将所述雾从所述第一端朝所述第二端移动。在本布置中，多个网状网可以沿所述长形结构布置，使得雾沿所述长形结构的长度移动时，各网状网使所述雾带电荷。
所述雾化系统还可以包括构造成移动所述雾的至少一个吹风装置。
所述雾培培育箱还可以包括由所述微滴生成器使用以生成微滴的液体的贮存器。所述液体的组成可以被改变以及可以选择以包括RNA、固氮细菌、和/或用以促进从栽培植物中分离农产品的激素和/或化学制品中的至少一个。
根据另一个方面，可以提供一种在雾培培育箱内供应雾的方法，所述方法包括在所述雾培培育箱内产生雾，并使所述雾带电荷。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于栽培植物的雾培培育箱，所述雾培培育箱包括：用于在所述雾培培育箱内供应雾的雾化系统；和由所述微滴生成器使用以生成微滴的液体的贮存器，其中，所述液体包括RNA。
所述雾培培育箱还包括根室，在使用中，植物的根被设置在所述根室中。所述雾可以被供应到所述根室。
所述液体可以是亲脂性的，其分配系数logP正辛醇/水的范围优选在约-5和5之间，更优选在约0和3之间。
根据另一个方面，提供了一种在雾培培育箱内供应雾的方法，所述方法包括提供液体和使用所述液体在所述雾培培育箱内生成雾，其中，所述液体包括RNA。
将参考示例性实施例和附图来描述本发明，其中：
图1是可以与本发明的实施例一起使用的雾培培育箱的示意性立体图。
图2是可以与本发明的实施例一起使用的雾培培育箱的端部的示意性侧视图。
图3是可以与本发明的实施例一起使用的另一个雾培培育箱的端部的示意图。
图4是根据本发明第一实施例的雾培培育箱的示意性端视图。
图5是根据本发明第一实施例的微滴生成器的一部分的示意图，该微滴生成器可以形成雾化系统的一部分。
图6A是根据本发明第二实施例的雾培培育箱的示意性剖视图。
图6B是图6A中所示的充电装置的一部分的近视图。
图7是根据本发明第一实施例的雾培培育箱的示意性端视图。
在附图中，相同的部件由相同的附图标记标识。图中示出的特征不一定按比例绘制，并且所描绘的尺寸或布置不是限制性的。应当理解，附图包括对本发明不重要的可选特征。此外，每个图中并非都描绘了雾培培育箱的所有特征，附图可以仅示出与描述特定特征相关的一些组件。
图1-3示出了雾培系统的各种视图，其是雾培培育箱1的示例。雾培培育箱1在使用中用于植物的栽培。应注意，术语植物用作涵盖不同种类的植物和植物的至少一部分(例如根和/或叶子)的通用术语。可以使用种子代替植物，下面描述的任何实施例可以与种子一起使用，由此可以使种子发芽以形成栽培的植物。
该系统可以与WO2012/156710A1中描述的系统相同。该系统可以包括与WO2012/156710A1的任何实施例中相同的特征，并且可以具有其中公开的任何变型。例如，雾培培育箱1可以如图1至3所示，其在WO2012/156710A1中被详细描述。因此，WO2012/156710A1通过引用并入本文。如所描述的，雾培培育箱1可以包括框架，该框架可选地包括端框架11。该框架可以由至少一个片材13覆盖。片材13可以限定用作根室(root chamber)14的空间。植物16可以生长在片材13上，其中植物16的根可以位于根室14中的片材13的下方，植物16的叶子可以位于片材13的上方。雾培培育箱1可以布置有线，例如线12，用于将框架保持在适当位置。线12还可包括至少一个绞盘，例如绞盘21，以使线12保持为结构提供支撑。可以根据雾培培育箱1的结构提供另外的线，例如图3中的线37。雾培培育箱1还可以包括如图1所示的闭合面板34，以关闭根室14。
如图2所示，雾培培育箱1可包括配置成生成雾的雾化系统23，还可包括回流管(return tube)24，以从雾培培育箱的区域(例如根室14)提取流体。另外如图2所示，雾培培育箱1可包括电力电缆22，以向雾培培育箱1的至少一个部件提供电力。例如，电力电缆22可向雾化系统23提供电力。
图3描绘了在WO2012/156710中更详细描述的另一变型。图3中的雾培培育箱1可以类似于图2中所示的雾培培育箱，此外图3中的雾培培育箱1还包括叶室55，由此可以在植物16被栽培时将植物16的叶子定位在叶室55中。雾培培育箱1可包括基本上限定叶室55的外部的外片材35。外片材35可以是雾培培育箱1的外片材。雾培培育箱1可以包括通风盖板(vent flap)36，其可以被打开以允许流体流入或流出根室14。类似地，可以提供另一个通风盖板(未示出)以允许流体流入或流出叶室55。可以提供通风密封件32和33，例如，其可以是可膨胀的通风密封件，以控制流体流入或流出雾培培育箱1，或根室14和/或叶室55。通风密封件可通过任何合适的连接件连接到培育箱1上。例如，通风密封件32可以通过图3中的连接机构32a被连接。如图3所示，可以提供另外的线37和38。
可以以各种方式支撑雾培结构1，例如，通过使用支撑构件31。例如，可以通过任何适当的方法(例如类似于大塑料衣夹的强力作用夹)或通过利用水(例如图3中的充满水的管39中的水)的自重，将片材13固定到框架和/或线(例如线38)上。另外，雾培培育箱可以包括沟槽52，作为用于收集来自片材13内部的冷凝水以及雨水和露水的水的装置。该水可以被收集和回收。
应当理解，这些图描绘了雾培培育箱1的示例结构。雾培培育箱1可以具有实质上不同的形状，例如，它可以是长方体(例如矩形)，圆柱体，球体，球形锥形或任何其他合适的形状。叶室55和根室14可以以不限于图中所示的示例的各种不同的方式形成雾培培育箱的一部分。例如，不考虑形状，根室可以是雾培培育箱的底部，并且其可以根据雾培培育箱1的尺寸占据整个雾培培育箱1的任意适当部分。根据需要，根室14和/或叶室55可以分别包括用于根和/或叶子的结构和/或支撑。
在第一实施例中，提供了雾培培育箱1，该雾培培育箱1包括图4中所示的雾化系统23。这可以与图2和3中所示的雾化系统23相同。雾化系统23用于在雾培培育箱1内提供雾，雾化系统23包括微滴生成器25。微滴生成器25包括至少一个出口26。微滴生成器25可以配置成使得在使用中至少一个出口26中的每一个一次喷射一个液体的微滴。这并不意味着每个出口26必须同时喷射微滴，而是意味着微滴生成器的每个出口被配置为一次仅输出一个微滴。以这种方式，微滴生成器25可以是能够喷射单个微滴的任何装置。因此，微滴生成器25从各出口26输出例如分离的微滴流中的单独的液滴。已知的微滴生成器可以包括商业喷墨打印机中使用的已知打印头，例如，使用打印头。因此，商业打印头可以用作雾培培育箱1中的微滴生成器25以生成雾。
当通过出口26一次喷射一个微滴来单独地产生微滴时，具有与生成的雾相关的特定优点。这种雾化系统23可以在雾培培育箱1中生成雾。该雾被理解为与现有已知系统提供的薄雾(mist)/气溶胶不同。现有技术中生成的薄雾/气溶胶通常包含较大的微滴。有利地，如本发明中的雾培培育箱1可以通过使用这种微滴生成器更精确地控制形成雾的微滴的尺寸。例如，雾化系统23可用于提供非常小的水滴，其大量形成浓雾。这种雾的主要优点之一在于，在高湿度环境中，与在先前已知的雾培系统中产生的薄雾/气溶胶相比，它可以长时间停留在空气中。因为此雾将在空气中停留较长的时间，所以它可以比薄雾/气溶胶行进更长的距离，这意味着它可以用于向更多数量的植物16供应水和养分。
在已知的水培系统中，当液体中的营养浓度沿灌溉渠道行进时，会被植物根逐渐降低。然而，在如上所述的雾培培育箱1中，各个雾滴中的营养物和pH的水平可以保持恒定，而与行进的距离无关，因为在微滴被吸收之前，它将基本上保持营养物和pH的水平。这意味着可以为植物提供相同的营养物和pH水平，而与相对于营养物和pH的供应的位置无关。此外，还提供了对营养物和pH的额外控制，因为微滴中的这些水平可以被控制/改变，并且这可以在整个雾培培育箱中快速地受到影响，从而能够快速响应所需的变化。
使用与第一实施例中一样的微滴生成器25能够控制微滴的尺寸，由此可以根据需要调整微滴的尺寸。例如，与薄雾/气溶胶微滴相比，该微滴的尺寸可以制备的相对小(即具有小直径)。该相对小的微滴可用于生成通常称为“干雾”的物质。已知使用薄雾滴(其具有较大尺寸)可以使微小的紧密间隔的根毛饱和，从而阻止了空气和新鲜的营养供给并且阻止了微滴在植物根之间均匀渗透。由此产生的缺氧和缺氮可能会抑制植物生长，并且在极端情况下会导致植物死亡。在现有技术中，通常使用喷嘴和/或喷雾器生成薄雾/气溶胶。该喷嘴和/或喷雾器一次产生多个微滴，这对每个微滴的尺寸不能提供与本发明的微滴生成器25所提供的相同的控制。生成如第一实施例中那样的干雾可能是有利的，因为干雾不会使植物根饱和，由此根不会变湿或滴水。因此，与使用生成薄雾/气溶胶的已知培育箱系统相比，具有微滴生成器25的雾培培育箱1减少或防止了这些问题。
第一实施例的雾化系统23可以具有许多出口26。例如，代替至少一个出口26，可以有至少约100个出口26，或至少约300个出口26或至少约1000个出口26或更多。出口26的数量可以根据雾的期望特性和/或雾培培育箱1的尺寸来具体选择。使雾化系统23配置成每秒从许多出口产生多个甚至大量的微滴可能是有利的。这将提高微滴的生成速度。
雾化系统23被配置成在雾培培育箱1内提供雾，使得雾位于雾培培育箱1的至少一部分内。以这种方式，可以将雾提供给待栽培的植物16，无论是根，植物，还是两者，甚至是植物发芽前的种子。如下面将进一步详细描述的，可以通过使用微滴生成器26来控制雾的不同特性以提供进一步的好处。
如图4所示，雾培培育箱1可以包括根室14和可选的叶室55。根室14可以与叶室55分离，例如通过片材(例如图1、2或3中所示的片材13)。如图3和4所示，在根室14和叶室55两个室之间提供物理屏障，可以使根室14和叶室55分离。然而，根室14和叶室55可以分离，是因为提供了物理屏障以减少每个室中的流体之间的相互作用。换言之，根室14和叶室55之间的分离可能不会将根室14与叶室55完全隔离，反之亦然。该分离可以由类似于片材13的片材提供，该片材13仍允许两个室之间的气体进行一些相互作用。可以理解，分离的目的是控制提供给植物的不同部分(即，根或叶子)的流体，而不必将根室14与叶室55完全隔离，以便控制根室14和叶室55中的每一个的环境到适当程度。
雾化系统23可以配置成向根室14、叶室55或两者提供雾。有利地，这允许在不同时间向根室14和叶室55供应雾，并且还可以允许将不同类型的雾供应到不同的室。这有利地提供进一步的控制，例如，微滴的尺寸和/或用于形成微滴的液体在根室和叶室中的每一个中可以不同。这增加了可控水平，从而可以提高正在雾培培育箱1内栽培的植物16的生长。
根据雾正被提供给哪个室或哪几个室，可以控制雾化系统23来调整雾。例如，如图4所示，可以在叶室55中提供至少一个传感器18，并且可以根据来自至少一个传感器的反馈，动态地控制雾化系统23，以改变提供给叶室55的雾的特性。例如，可以改变由雾化系统23喷射的微滴的速率，或者由雾化系统23使用的液体。另外或者可选地，可以在根室14中提供诸如传感器18的传感器。由此，无论是向根室14、叶室55还是两者提供雾，都可以类似地动态控制雾化系统23。至少一个传感器18可以配置为测量用于动态控制的特性，例如各自腔室中的环境的特性，例如各自腔室中的湿度、温度等等。另外或者可选地，传感器18可以配置成测量至少一个植物16的特性而不是植物周围的各自腔室中的环境的特性。
雾化系统23可包括多个出口26，即，雾化系统23可包括多个单独的出口26，其中每个出口26配置成一次一个微滴地提供液滴。这在提供大量微滴方面是有利的，因为多个出口26意味着可以增加在任何一个时间提供的微滴的数量。因此，可以根据多个出口26中的每一个被控制的方式来控制微滴的数量，并因此控制雾的大小。
多个出口26可以以阵列形式提供。换言之，出口26可以以某种矩阵形式提供。以阵列形式提供微滴能够控制雾的形成。这也允许雾化系统23具有产生浓雾的能力。例如，多个出口可以以期望的图案布置，或者以特定的间隔布置，以帮助形成具有优选密度的雾。密度可以影响雾的运动和与植物的相互作用，使得控制这些特性是有利的。该阵列可以是也可以不是线性构成的，并且可以以也可以不以规则的图案形式排列。该阵列可以布置成以这样的方式提供雾：空气和/或雾在螺旋形涡流中移动，这可以使雾的运动集中。这可能类似于涡旋炮(vortex canons)的作用方式。这在根室14和/或叶室55中可能是有用的，以增加雾行进的距离并改善紧密间隔的根叶面积中的雾渗透。
微滴生成器25(包括任意合适数量的出口)可以配置成每秒从至少一个出口中的每个喷射大约1000个微滴。可能并且优选地喷射多于此数量的微滴，例如数千个，数万或数十万个，以及数百万甚至数千万或数亿个。可以根据需要控制或改变每秒由每个出口26喷射的微滴的数量。这有利地允许根和/或叶子周围的环境根据需要变化。
在第一实施例中，微滴生成器25可包括如图5所示的压电致动器29。图5描绘了图4中所示的微滴生成器的更详细的版本。压电致动器的使用在其他领域中(例如在喷墨打印机中)是已知的，并且具有优点：市售可获得，可用于以高频率生成微滴，具有高精度(即控制)和高效性，以及是可靠的。另外，孔的精度和排列(line-up)对于打印是非常重要的，但雾培培育箱1中的公差并不是那么高，使得可以使用再循环或废弃的压电致动器(即，压电或其他合适的打印头)，就能在雾培培育箱1中提供足够的精度。使用现有已知的雾培系统，使用例如喷雾器/喷嘴来生成薄雾/气溶胶，是无法精确控制微滴的尺寸的，因为同时会生成多个(可能大量的)微滴。使用压电致动器29单独产生微滴允许精确控制微滴的尺寸，这与已知的雾培系统相比尤其有利。微滴生成器26可包括市售可获得的打印头(例如用于代替图5中所示的系统)。与用于雾培系统/农业目的的传统喷雾嘴相比，市售可获得的打印头更可靠、并且成本更低。降低的成本可以是每个打印头单元(相对于传统喷嘴)的投资成本和操作成本，因为该打印头不需要任何显着的压降(这是传统喷嘴所需的)来生成雾。
压电致动器29可以配置成控制从至少一个出口26喷射微滴。压电致动器29可以包括由压电材料制成的部件。还可以提供控制系统30，其中，该控制系统可以配置成控制向压电致动器29施加电流，使得压电材料能够改变形状。向压电材料施加电流可以使该压电材料改变形状，最可能地是使该压电材料迅速膨胀，由此改变腔27内的压力，并且可能导致液体28的单个微滴从至少一个出口26喷出。
微滴生成器25可包括容纳液体28的至少一个腔27，如图5所示。该腔27可具有单个出口26或多个出口。出口26允许液体28从腔27中喷出。压电致动器29可以形成为使得压电材料的形状变化能够改变由腔27限定的空间。例如，压电材料可以形成腔27的壁的至少一部分，或者可以位于腔27中(在使用时位于液体28中)，或者可以形成在腔27的壁中，其中该壁能够变形以响应压电材料的形状的改变。雾培培育箱1可以包括可以用于容纳液体28的贮存器10。可以根据雾培培育箱1的结构以及如何使用贮存器10将液体28供应到腔27来选择贮存器10的位置。在一实施例中，更为普遍的是，贮存器10可以是微滴生成器25或雾化系统23的一部分。然而，贮存器10可以在雾化系统23的外部，可以将液体28供应到雾化系统23以生成雾，即，贮存器10可以与雾化系统23流体连通。因此，贮存器10可以用于向至少一个腔27提供液体28。在可选示例中，贮存器10可以理解为微滴生成器25内的腔27，因为该腔27能够容纳和储存液体28。
还可以提供控制微滴生成器的替代方法。例如，热激发可用于从腔27(未示出)移动液体28的微滴。这可以包括在微滴生成器25中的腔室中使用至少一个加热器。可以提供类似于与压电致动器29一起使用的控制系统30的控制系统。该控制系统可用于控制流经加热器的电流，使腔室中的液体快速蒸发，从而形成气泡。该气泡导致相应空腔中的压力增加，从而使液滴从微滴生成器25喷出。
应当理解，可以使用不同类型的喷射单元，即，可以例如使用如上所述的热激发单元或其他类型的致动器或单元来替换压电致动器29。例如，可以用使用热喷射打印机技术的系统、包括磁限制材料的致动器、包括电磁体(例如电磁线圈)的致动器、使用电阻加热的单元、和/或使用对电压变形和/或响应的单元(例如利用电压的任何系统)等等来代替压电致动器29。可以使用许多已知的单个或多个市售可获得单元，其一次提供单独的液滴。例如，WO2010/055344A1中描述的微滴生成器可以适用于雾培培育箱1。
喷射具有特定尺寸的微滴可能是有利的。微滴生成器25可配置成喷射直径小于或等于约40μm，或优选小于或等于约30μm，或优选小于或等于约25μm，或更优选小于或等于约20微米的微滴。优选使用低于这些值的微滴以防止微滴变得太重而从雾中“掉落”。微滴可以小至约0.5μm，或甚至约0.1μm。因此，微滴的直径可以介于约0.1μm至约40μm，或优选地约0.5μm至约30μm之间。
可以使用的微滴的最小尺寸可取决于用于生成微滴的技术的可靠性和经济可行性。减小的直径可有利于更有效地向植物提供所需量的液体。例如，如果微滴足够小(例如，直径小于或等于约30μm，或更优选地20μm，或甚至小至0.1μm或0.5μm)，则它们可以通过气孔保卫细胞直接进入植物。气孔是叶子下面的细胞，植物通过其“呼吸”，即，植物通过气孔吸收二氧化碳并释放氧气。这可能是供养植物并将雾中的液体引入植物中的一种非常有效的方式。因此，具有上述尺寸的微滴的雾培培育箱1允许在含有浓密营养物的液雾的快速流动中对植物进行叶面供给。该雾可能具有足够小以渗透气孔的打开的保卫细胞的微滴。该雾可以在雾培培育箱1中形成高湿度，其允许气孔打开以进行气体交换，并且允许雾滴中包含的营养物容易地渗透叶子并产生独特的强叶面供给作用。
该实施例可以包括在雾培培育箱1内供应雾的方法，该方法包括使用包括至少一个出口26的微滴生成器25生成微滴以形成雾，其中生成步骤包括从至少一个出口26中的每个一次生成一个液体的微滴。该生成雾的方法可以使用上述任何系统或装置。因此，应理解，该方法可生成如上所述的雾(例如具有优选的微滴尺寸等)。
在第二实施例中，提供了一种雾培培育箱1，该雾培培育箱1包括雾化系统。雾化系统23用于在雾培培育箱1内供应雾。雾培培育箱1可以与上述相同，雾化系统23可以与第一实施例的任何示例中的相同。换言之，可以组合第一和第二实施例的特征，即，雾化系统23可以包括上述的微滴生成器26。或者，第二实施例可以是单独的，雾化系统23可以包括与上述不同的特性，即，该雾化系统可以不包括配置成从每个出口一次喷射一个液滴的微滴生成器26。
在第二实施例中，在使用中，雾化系统23被配置为使雾带电荷。在雾培培育箱内提供带电雾可以帮助刺激由雾培培育箱栽培的植物的生长和控制该植物的收获时间。虽然人们已经知道了使用电刺激和/或控制植物16生长想法，但以往电生长刺激的问题往往在于它们依赖刺激生长在土壤中的植物16。在土壤中，例如，由于化学不平衡和/或木材含量，田地的一部分与另一部分之间的条件通常可能变化很大。这些变化以不可预测的方式影响土壤的导电率，因此不可能允许电刺激植物的生长。更一般地，由于包括在土壤中生长植物的限制、缺乏对生长条件(例如叶冠和根区域)的控制、以及高资本和操作成本的各种原因，所以使用电控制植物生长存在障碍。使用如本发明的雾培培育箱1具有的优点在于，与先前已知的向植物施加电荷的系统相比，可以更均匀地向整个培育箱中的植物16施加电荷。
有利地，上述雾培培育箱使用雾来将水和植物营养物输送到待控制的植物。通过使雾带电荷，雾滴通常彼此排斥，由此减少或防止了微滴聚集并变成薄雾滴的趋势。如前所述，例如当与较大的雾滴相比时较小的微滴可能能够行进地更远。因此，带电的雾在较高的湿度下可以行进相对长的距离。另外，使雾带电大大增强了雾的潜在火灾识别能力，这在某些紧急情况下(例如当闪电击中雾培培育箱时)作为安全机制是非常有用的。
可以以多种方式提供电荷。雾化系统23可包括至少一个带电装置，其配置成向供应到雾培培育箱1或在雾培培育箱1内的雾提供电荷。雾培培育箱1可包括至少一个变压器47，优选地至少一个小的低成本的高压变压器。变压器47可以连接到导电部件(例如如下所述的棒或网状物)。带电装置可以是任意形状。图6A中描绘了被配置为使雾带电荷的雾培培育箱1的示例。
在该示例中，带电装置可以是如图6A所示的导电结构17。该导电结构17可包括至少一个金属棒19(可替代地是金属绳，或任何导电棒或绳)。另外，该带电装置可包括位于两个金属棒之间的连杆(links)20a，如图6A和6B所示。连杆20a可以是连接到至少两个金属棒19的金属或碳纤维股线。另外或可选地，诸如纤维20b的纤维可以沿着至少一个金属棒19的长度设置。这些纤维20b可以比连杆短，但也可以由金属或碳纤维股线形成。每个纤维20b可以仅连接到一个金属棒19。这些连杆20a和纤维20b用于增加导电结构的可用表面积，以在雾滴通过导电结构17时更有效地使雾滴带电荷。代替导电结构17，该带电装置可以是网状物(未示出)。雾化系统可以向包含带电装置的区域提供雾。在一示例中，至少一个绝缘体40可以设置有带电装置，以便将电荷保持在期望的区域中并且保持雾培培育箱1的使用安全。
在该实施例中，雾培培育箱1可包括基本上如上所述的根室14和/或叶室55(即，根室14和叶室55可如上所述分开)。有利地，这允许将雾在不同时间供应到根室和叶室，并且还可以允许不同类型的雾根据其正要供应的室而带不同的电荷。带电装置可位于任一腔室中。例如，如图6A所示，导电结构17可以位于叶室55中。
在该实施例中，雾培培育箱1可以配置成使雾通过带电装置以改变雾的电荷。因此，雾培培育箱1可使雾通过图6A中所示的导电结构17，(或通过替代地或附加地用于导电结构17的网状物)。可以使用多个带电装置。例如，可以在整个雾培培育箱1的各个不同位置处提供带电装置。这是有利的，因为这意味着带电装置可以向位于雾培培育箱1的不同区域中的雾提供电荷。
在一示例中，可以提供多个带电装置，雾培培育箱1可以配置成使雾相继通过带电装置。这可以意味着雾培培育箱1布置成使雾通过所有带电装置，和/或雾培培育箱配置成使雾一个接一个地通过多个带电装置。这允许电荷随着雾通过各带电装置而改变，例如增加。
在这些示例或实施例中任意一个，雾化系统23可包括吹风装置44。吹风装置44可以是简单的电动风扇，或者它可以是更复杂的系统。该吹风装置44可以配置成使雾在期望的方向上移动通过雾培培育箱1。吹风装置44可以被控制以具有可变效果，例如，吹风装置可以具有可变的强度和/或方向，以允许对雾进行更特别的控制。例如，吹风装置44可以是变速防水风扇。吹风装置44可以与抽吸装置(未示出)结合使用，该抽吸装置也可以例如包括风扇。吹风装置44和抽吸装置可以布置成彼此配合工作，例如，吹风装置44可以位于雾培培育箱1的一侧/端，抽吸装置可以位于雾培培育箱1的另一端以抽吸更多的雾和空气通过雾培培育箱，从而改善雾和/或空气通过雾培培育箱1的运动。
在优选的布置中，雾培培育箱1可以具有基本上呈长形的形状。例如，雾培培育箱1可以是如上面的一些示例中所述的和如图1所示的，即，雾培培育箱1可以是圆柱体或长方体等。在该实施例中，该长形结构可以具有第一端和第二端。雾化系统23可以配置成基本朝一端向雾化培育箱供应雾。虽然理想情况下，这可以意味着雾化系统23在第一端或第二端附近提供雾，但是更广泛地它可以意味着在气体培育箱1的约前半部分中供应雾。雾化系统23可以包括配置成使雾移向另一端的吹风装置44。这可以意味着吹风装置44被配置为使雾在朝一端并远离另一端的方向上移动。
在这种布置中，可沿长形结构(即，沿长形结构的长度)布置多个带电装置，使得雾在沿细长结构的长度移动时，各带电装置使该雾带电荷。当吹风装置44基本上沿着雾培培育箱的长度移动雾时，雾可以通过间隔开的带电装置。因此，当雾通过每个带电装置时，雾的电荷可以被控制。例如，带电装置可用于在雾通过每个带电装置时“增加(boost)”雾的电荷。
当雾在单个位置被提供电荷时，电荷随着雾移动通过培育箱可能减少。然而，当如上述一些示例中提供多个带电装置时，这可能是有利的，因为当雾通过每个带电装置时，可以有效地控制(例如增加)雾的电荷。因此，雾可以被提供更一致的电荷，使得相同的电荷能够到达叶子和/或根，而不管叶子和/或根位于雾培培育箱1中的哪个位置。换言之，使用以优选的布置方式理想地布置的多个带电装置，可以为整个雾培培育箱1中的植物16提供更均匀的带电雾。
在该实施例中，可以提供雾，使得根和叶子的电荷彼此不同。例如，带负电的雾可以被供应到根室14。附加地或替代地，可以不向叶室55供应雾或供应带正电的雾。使用雾以在根上产生负电荷以及在叶子上产生正电荷可能是特别有利的，因为这可以导致微滴更有效地进入气孔，因为其考虑了整个植物的自然电势(natural potential)。或者，可以将带负电的雾供应到叶室55。附加地或替代地，可以不向根室14供应雾或供应带正电的雾。无论如何变化，都可以优选地控制根和叶子的电荷，使得根和叶子的电荷彼此不同(尽管这不是必需的)。这可以提高微滴进入叶子上的气孔的效率。
如在上述实施例中所述，雾化系统23可包括贮存器，以容纳雾化系统23使用的液体，以生成雾。该贮存器可以与上述贮存器30相同。贮存器可以在另一实施例中提供或者与上述任何实施例一起提供。例如，贮存器可以位于图2和3中所示的雾化系统23内。或者，贮存器可以连接雾化系统23并与雾化系统23流体连通，以向雾化系统23提供液体以生成雾。
该实施例可以包括在雾培培育箱内供应雾的方法，该方法包括在雾培培育箱内生成雾，并使该雾带电荷。生成雾的方法可以使用与第二实施例有关的任何上述系统或装置(同样可选地，与第一实施例的特征组合)。因此，应当理解，该方法可以生成如上述第二实施例所述的雾(例如，使用压电致动器来使雾带电荷等)。
在第三实施例中，提供了雾培培育箱1，该气体培育箱1包括雾化系统23。雾化系统23用于在雾培培育箱1内供应雾。雾培培育箱1可以与上述相同，雾化系统23可以与上述任何实施例中的相同。例如，雾化系统可以与图2或3中所示的雾化系统23相同。雾化系统23可以包括上述的微滴生成器26。或者，雾化系统23可以包括与上述不同的特性，即，雾化系统可以不包括配置成从每个出口一次喷射一个液滴的微滴生成器26，和/或雾化系统配置为使雾带电荷。
在该实施例中，雾培培育箱1包括如图7所示的贮存器10。贮存器10可以与上述任何实施例中所述的贮存器相同。图7中所示的贮存器是雾化系统23的一部分，然而，贮存器10可以在雾化系统23的外部并且可以与雾化系统流体连通。液体28的贮存器10供微滴生成器使用以产生微滴。贮存器10仅是可用于容纳液体28的装置的一部分。液体28包括核糖核酸(RNA)。
常规施加的喷雾微滴(例如通过喷雾装置施加)从上方落到叶子表面上，但很少到达叶子上气孔所在的下侧。对于施用除草剂和杀虫剂，这不一定是一个问题，但在喷雾中具有RNA分子的情况下确是一个问题，这是因为RNA分子必须进入气孔才能产生所需的效果。因此，在如本发明所述的雾培培育箱中使用RNA在递送RNA方面更有效，该RNA可以以比常规农业喷雾方法所需的量低得多的量提供。在雾培培育箱中使用RNA可能更有效，因为喷雾偏差(spray drift)不是问题，高湿度条件意味着气孔最容易进入，空气速度可以控制，并且还由于空气和水分子的布朗运动。
转基因生物(GMO)受到大部分人的怀疑，因为生物体的DNA发生了变化，其后代也发生了变化，从而创建了新的“物种”。在不改变遗传特性的情况下改变行为的替代方案是用RNA“掺杂(dope)”生物体。RNA是生物体用于切换或增强细胞活动的信使代码。通常，将RNA注入植物在经济上是不可行的，因为费用昂贵并且因为叶和茎的细胞边界对RNA是高度不可渗透的。在叶子上喷洒RNA确实允许一些RNA通过气孔进入，但大部分RNA都被浪费了。在RNA溶液中浸泡根对于至少某些类型的RNA是非常有效的，但是对于田间种植的作物来说也不是一种经济可行的选择。
在本实施例中，有利地，RNA由雾培培育箱中的雾化系统生成的雾有效传递。因此，上述雾培培育箱有利地以能够有效且经济地进入植物根系的方式提供RNA。
RNA干扰是一种暂时关闭任何基因活性的方法。RNA干扰是暂时的，通常只持续几天到最多几周，并且不像GMO那样是永久性的。RNA可以调节抗旱性，抗虫性，抗药性，植物性的(vegetative)或生殖的生长激励，细胞多样化和激励，以及一般任何类型的细胞代谢和生长。
除伦理问题外，新GM作物的成本可能超过1亿欧元，并且可能需要13年才能进入市场。RNA的价格已经从几千欧元降低到几十欧元每克，这使它们进入经济应用的范围。
根据Monsanto的专利，喷洒RNA的技术还涉及喷洒有机硅表面活性剂以使RNA分子滑入植物表面的气孔，即，空气交换孔。从叶子开始，RNA被输送通过整个植物。这里通过在由雾培培育箱1的雾化系统提供的雾中提供RNA来描述一种类似的但基本上不同的方法。
在该实施例中，雾培培育箱1可包括基本上如上所述的根室14和/或叶室55(即，根室14和叶室55可如上所述分离)。雾化系统23可以配置成在具有上述优点的情况下向根室和/或叶室供应雾。
可以将雾提供给根室14。向根室14供应雾意味着雾可以有效地将RNA递送到雾培培育箱1中的根系。营养物被根吸收，这将是一种利用自然的正常输送过程来递送RNA的方法。使用RNA喷雾的已知方法显示效率相当低(并且难处理和昂贵)，并且在土壤基生产系统中，已知的根递送方法是不能实现的。然而，使用雾培培育箱的雾化系统23供应RNA可以不经适应地使用。
已知叶面供养是可能的，但在前述实施例中所述的雾生成器具有小于或等于约20μm，优选小于2μm的微滴尺寸，以及在生长室55的受保护的环境(即，100％或接近100％湿度)下，叶面供养预计会更显着有效，因为由于应该能够控制环境使气孔打开(例如，气孔在低湿度下闭合)，所以它能让营养物和/或RNA直接被吸收到植物的气孔中。
液体可以是亲脂性的。换言之，液体可以是“亲油”，即，疏水的。液体的分配系数logP正辛醇/水优选在约-5和5之间，更优选在约0和3之间。液体在光谱的更亲脂范围内具有该优选范围，因为这通过植物细胞边界层的脂质二重层(lipid bi-layer)以及通过其细胞溶质可以实现很好的输送。
植物利用土壤中的矿物质来构建存活和生长所需的复杂分子。由于根内的营养物浓度通常高于外部，所以植物通常使用化学能来输送内部的营养物。由细胞外的皮层覆盖的“凯氏(casparian)层”形成软木(corky)屏障，该软木屏障需要专门的载体分子才能穿过。这里使用三磷酸腺苷(ATP)(所有细胞的能量分子)，并且根在没有氧气的的情况下不能存活的事实表明植物必须努力来吸收矿物质。营养物一旦通过了凯氏带(casparianstrip)，就会进入植物木质组织，并被运送到植物的其他部分。为了穿过凯氏带，营养物必须穿过细胞血浆(通过细胞膜的共质体运输-质外体运输)。正常细胞壁由木质素、酚类和亲脂性生物聚合物组成。在凯氏带中，这些层非常厚，以至于它们阻挡了初生细胞壁中的亚微观毛细血管并减少了质外体运输。因此，这种紧密屏障调节质外体途径，溶质必须穿过选择性可渗透的质膜进入细胞质。由于该膜由木质素(x-连接的苯酚聚合物)等的生物聚合物构成，并且具有脂质性质，因此水和离子必须通过载体分子进入。存在用于钙、镁、铜、锌和其他矿物质的特殊载体分子。这解释了植物的根能够如何选择被允许进入植物根的离子性质。
较大的分子，如有机分子，可以通过扩散穿透亲脂壁。如果RNA是亲脂性的或与亲脂性载体(纳米微滴或类脂质)结合，则RNA可以更有效地进入植物。RNA一旦通过凯氏带，就可以被输送通过细胞质并通过胞间连丝(plasmodermata)输送到其他细胞。在这种雾中，RNA既可以通过乳化也可以作为“油性”纳米颗粒(即，类脂质)内的胶体纳米颗粒而制成亲脂性的。亲脂性液体意味着RNA(非极性)分子必须与细胞边界结合以在细胞内输送。
在该实施例中，雾可包括非常小的微滴。例如，微滴的直径可以小于或等于约30μm，或优选小于或等于约25μm，或更优选小于或等于约20μm。优选使用低于这些值的微滴以避免微滴如上所述变得太重。使微滴尽可能小是有益的，以便抵抗重力并保持漂浮很长的距离和时间。为了增强对植物16的根的吸引力，液体可以包含表面活性剂，雾可以带电(例如如上所述)。
该实施例可以包括在雾培培育箱1内供应雾的方法，该方法包括提供液体并使用该液体在雾培培育箱内生成雾，其中该液体包括RNA。该方法可以将雾中的雾培生长系统中的RNA输送至根系以在那里被吸收。该方法可以使用在任何上述实施例和示例中描述的雾化系统23和雾培培育箱1。该方法可以包括在贮存器10中容纳液体以供微滴生成器使用，以产生雾。
该方法可包括生成具有小于或等于约25μm或更小的平均粒度(即，微滴直径)，或优选具有小于或等于约5μm的平均粒度的雾。在一示例中，RNA可以与水混合。RNA可以作为溶液，乳液，胶体或其它将RNA分散在水中的方式与水混合以用作雾，并且不一定均质化。可以允许雾被动地(例如通过重力或扩散)和/或主动地(例如通过机械吹风机，例如上述的吹风装置44)行进。雾可以朝向以及在气体培育箱1的无土根室14中的根上行进。RNA可以被设计或选择进入细胞根系。RNA可以是siRNA或miRNA，并且可以用脂质(“油性”)尾部(tail)增强，其尾部增强的唯一目是进入根屏障。
在任何上述实施例中，可允许雾被动地行进(例如通过重力或扩散)，和/或主动地(例如通过机械吹风机，例如上述的吹风装置44)。因此，任何上述实施例和示例可包括吹风装置，例如第二实施例所述的吹风装置44。吹风装置44可用于控制雾的速度和/或其方向，并且可以是可变的。理想地，例如雾培培育箱1内的雾将以大约1m/s至1.5m/s的速度行进，或者优选地以大约1.3m/s的速度行进。以这种速度移动的雾意味着它能够比水培系统更快地响应变化的生长条件。例如，叶室55中使用的雾旨在破坏与叶表面接触的静止或缓慢移动的雾化空气的边界层，以便增强叶子的气体交换过程。例如，根室14中使用的雾可以比叶室中的雾慢(例如以0至1.5m/s的速度)，以避免冷却根并干燥根毛的表面，根毛的表面应始终保持湿润或潮湿-最好是后者。应注意，这些速度是优选的，但雾也可以在更低或更高的速度被有效使用。
可以根据需要选择在任何上述实施例中微滴生成器25生成微滴所使用的液体28。如已经描述的，液体28可以包含RNA。此外，液体28可以附加地或替代地包括固氮细菌，和/或用以促进农产品从栽培植物16分离的化学制品和/或激素。雾培培育箱1还可以包括如上所述的贮存器10以容纳微滴生成器25生成微滴所使用的液体28。
植物生长促进细菌(PGPB)在某些作物的农业生产中变得越来越重要。然而，PGPB的商业化和利用目前受到限制，因为在不同的宿主栽培品种和不同的田间地点没有一致的响应。因此，在田间条件下不可能将PGPB控制地输送到土壤中的根系。任何上述实施例或示例的雾培培育箱1可用于生成可以用于将固氮细菌(例如根际细菌)递送至植物的雾，从而克服该限制。在农业中使用植物生长促进细菌通常看起来非常有前途，特别是在由上述任何雾培培育箱1生成的雾中使用时。

Claims (25)

1.一种用于栽培植物的雾培培育箱，所述雾培培育箱包括：
用于在所述雾培培育箱内供应雾的雾化系统，其中，所述雾化系统包括微滴生成器，所述微滴生成器包括至少一个出口，所述微滴生成器配置成使得在使用中各所述出口一次喷射一个液体的微滴。
2.根据权利要求1所述的雾培培育箱，其中，存在多个出口并且所述出口以阵列形式布置。
3.根据权利要求1或2所述的雾培培育箱，其中，所述微滴生成器包括压电致动器，所述压电致动器配置成控制微滴从所述至少一个出口的喷射。
4.根据前述权利要求中任一项所述的雾培培育箱，其中，所述雾培培育箱包括根室和与所述根室分离的叶室，所述雾化系统配置成向所述根室和/或所述叶室供应雾。
5.根据前述权利要求中任一项所述的雾培培育箱，其中，所述微滴生成器配置成喷射直径小于或等于约40μm，或优选小于或等于约30μm，或更优选小于或等于约20μm的微滴。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的雾培培育箱，其中，所述微滴生成器配置成喷射直径在约0.1μm至约40μm范围内，或优选地在约0.5μm至约30μm范围内的微滴。
7.根据前述权利要求中任一项所述的雾培培育箱，其中，所述微滴生成器配置成从各所述出口每秒喷射约至少1000个微滴。
8.根据前述权利要求中任一项所述的雾培培育箱，还包括由所述微滴生成器使用以生成微滴的液体的贮存器，其中，所述液体包括RNA、固氮细菌、和/或用以促进从栽培植物中分离农产品的激素和/或化学制品。
9.一种在雾培培育箱内供应雾的方法，所述方法包括使用包括至少一个出口的微滴生成器生成微滴以形成雾，其中，所述生成步骤包括从各所述出口一次生成一个液体的微滴。
10.一种用于栽培植物的雾培培育箱，所述雾培培育箱包括用于在所述雾培培育箱内供应雾的雾化系统，其中，在使用中，所述雾化系统配置为使所述雾带电荷。
11.根据权利要求10所述的雾培培育箱，其中，所述雾培培育箱包括根室和与所述根室分离的叶室，所述雾化系统配置成向所述根室和/或所述叶室供应雾。
12.根据权利要求11所述的雾培培育箱，其中，在使用中，所述雾化系统配置成使供应到所述根室的雾带电荷。
13.根据权利要求12所述的雾培培育箱，其中，供应到所述根室的雾带负电荷。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的雾培培育箱，其中，在使用中，所述雾化系统配置成使供应到所述叶室的雾带电荷。
15.根据权利要求14所述的雾培培育箱，其中，供应到所述叶室的雾带正电荷。
16.根据权利要求10至15中任一项所述的雾培培育箱，还包括至少一个带电装置，其中，所述雾培培育箱配置成使所述雾通过所述至少一个带电装置以改变所述雾的电荷。
17.根据权利要求16所述的雾培培育箱，其中，所述雾培培育箱包括多个带电装置，所述多个带电装置布置成使得带电荷的雾相继通过各所述带电装置。
18.根据权利要求17所述的雾培培育箱，其中，所述雾培培育箱包括具有第一端和第二端的长形结构，其中，所述雾化系统包括吹风装置，所述吹风装置构造成将所述雾从所述第一端朝所述第二端移动，并且其中，所述多个带电装置沿所述长形结构布置，使得雾沿所述长形结构的长度移动时，各所述带电装置使所述雾带电荷。
19.根据权利要求10至18中任一项所述的雾培培育箱，其中，所述雾化系统还包括构造成移动所述雾的至少一个吹风装置。
20.根据权利要求10至19中任一项所述的雾培培育箱，还包括由所述微滴生成器使用以生成微滴的液体的贮存器，其中，所述液体包括RNA、固氮细菌、和/或用以促进从栽培植物中分离农产品的激素和/或化学制品。
21.一种在雾培培育箱内供应雾的方法，所述方法包括在所述雾培培育箱内产生雾，并使所述雾带电荷。
22.一种用于栽培植物的雾培培育箱，所述雾培培育箱包括：
用于在所述雾培培育箱内供应雾的雾化系统；和
由微滴生成器使用以生成微滴的液体的贮存器，其中，所述液体包括RNA。
23.根据权利要求22所述的雾培培育箱，还包括根室，在使用中，植物的根被设置在所述根室中，所述雾被供应到所述根室。
24.根据权利要求22或23所述的雾培培育箱，其中，所述液体是亲脂性的，其分配系数logP正辛醇/水的范围在约-5和5之间，更优选在约0和3之间。
25.一种在雾培培育箱内供应雾的方法，所述方法包括提供液体，使用所述液体在所述雾培培育箱内生成雾，其中，所述液体包括RNA。
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