CN111278275A

CN111278275A - 自主灌溉系统

Info

Publication number: CN111278275A
Application number: CN201880070023.6A
Authority: CN
Inventors: D·索尔
Original assignee: Sored Lipper
Current assignee: Sored Lipper
Priority date: 2017-09-06
Filing date: 2018-09-06
Publication date: 2020-06-12
Anticipated expiration: 2038-09-06
Also published as: ES2925046T3; US11330772B2; IL273043A; EP3678472A1; AU2018327371A1; US20200267916A1; EP3678472B1; WO2019049149A1; CN111278275B; AU2018327371B2; EP3678472A4; IL273043B2; IL273043B

Abstract

一种系统，其包括：壳体，其包括配置为在期望的深度至少部分地植入邻近植物的土壤环境中的细长中空体；可溶胀元件，其尺寸被设置为布置在所述壳体内，所述可溶胀元件配置为在吸收水分时溶胀；可弹性压缩的柔性管，其配置为向土壤环境提供水，所述柔性管横向穿过所述壳体的管开口，所述柔性管邻近所述壳体内部的可溶胀元件布置，使得所述可溶胀元件的溶胀或移位压缩所述柔性管，从而限制或防止水从其流过；和水分传输适配器，其配置为沿着其长度将水分从土壤环境内期望的位置传递至所述可溶胀元件，以及提供了使用所述系统的方法。

Description

自主灌溉系统

相关申请的交叉引用

本申请是要求享有2017年9月6日提交的美国临时专利申请号62/554,610的优先权的权益的国际专利申请，其全部内容通过引用以其整体并入本文。

技术领域

本发明涉及自主植物灌溉领域。

背景技术

取决于多种因素，比如植物的类型、生长速率、相对湿度以及叶片周围的空气流动速率，各种类型的植物具有不同的灌溉需求。此外，环境因素比如温度、湿度、地形或土壤类型、重力渗漏等也可能影响各种植物的灌溉需求。浇水不足可能导致植物枯竭并枯萎。相反，过量浇水也可能对植物及其根系有害。

健康植物的栽培需要个性化关注不同植物的具体需要。这种繁琐的工作可能是繁重的，并且可能导致浇水过多或不足，从而损害植物。使用“通用型(one-size-fits-all)”灌溉系统(其中沿同一灌溉线布置的植物在灌溉时会同时接受相同量的水)存在浇水过多或不足的类似威胁。然而，定制的灌溉系统可能是昂贵的、耗时的、需要电并且操作复杂。此外，由于土壤表层附近水分的蒸发增加，在灌溉系统被植入的地方附近而不是在植物的根基部感测到水分的灌溉系统可能会无意中对植物浇水过多。因此，非常需要一种基于植物的根基部的水分释放水的自动的、非电子灌溉系统。

相关技术的前述实例和与之相关的限制旨在是说明性的而不是排他性的。在阅读说明书和研究附图之后，相关领域的其他限制对于本领域技术人员将变得显而易见。

发明内容

结合系统、工具和方法来描述和说明以下实施方式及其方面，这些系统、工具和方法是示例性的和说明性的，而并不限制范围。

根据第一方面，公开了一种系统，其包括：壳体，其包括配置为在期望的深度至少部分地植入邻近植物的土壤环境中的细长中空体；可溶胀元件，其尺寸被设置为布置在该壳体内，该可溶胀元件配置为在吸收水分时溶胀；可弹性压缩的柔性管，其配置为向土壤环境提供水，该柔性管横向穿过该壳体的管开口，该柔性管邻近该壳体内部的可溶胀元件布置，使得该可溶胀元件的溶胀或移位压缩该柔性管，从而限制或防止水从其流过；和水分传输适配器，其配置为沿着其长度将水分从土壤环境内期望的位置传递至该可溶胀元件。

根据另一方面，公开了一种方法，其包括：提供本发明的系统；在与植物相邻的预定深度处将该壳体至少部分地植入该土壤环境中；配置该柔性管以将水输送到植物下方的土壤环境的区域；配置该水分传输适配器的位置，以便提供从所述植物下方的土壤环境的区域向该可溶胀元件的水分传递；和使水流动通过该柔性管。

在一些实施方式中，本发明的系统进一步包括布置在土壤环境内的植物根部下方的灌溉板，该灌溉板配置为接收并保留来自柔性管的水并灌溉土壤环境。在一些实施方式中，期望的位置是灌溉板。在一些实施方式中，灌溉板包括用于将传输适配器稳定地附连到其上的连接器。在一些实施方式中，灌溉板是配置为容纳待灌溉的植物的容器的底部。

在一些实施方式中，壳体包括暴露窗口，该暴露窗口配置为在可溶胀元件和壳体外部的周围环境之间提供空气和水的传递。在一些实施方式中，该窗口提供了在可溶胀元件和地面上方的空气之间的传递。在一些实施方式中，壳体被配置为植入在土壤中并且部分在地面之上。在一些实施方式中，可溶胀元件至少部分地在地面之上。在一些实施方式中，可溶胀元件完全在地面之上。

在一些实施方式中，暴露于周围空气导致水从可溶胀元件蒸发。在一些实施方式中，水分从可溶胀元件的流出减小了由可溶胀元件施加在柔性管上的收缩力，收缩力的减小使得水能够流动通过柔性管。

在一些实施方式中，壳体进一步包括调节元件，该调节元件包括配置为与壳体的开口端处的内螺纹可旋转地接合的螺钉，调节元件被布置在壳体内，使得通过旋转调节元件将水可溶胀元件朝着柔性管移动，使得它对柔性管施加压缩力。

在一些实施方式中，柔性管包括捕获阀，该捕获阀配置为防止土壤环境中的碎屑穿透柔性管。

在一些实施方式中，水分传输适配器由纤维或多孔材料制成。在一些实施方式中，水分传输适配器包括套筒，该套筒配置为包裹包括至少一部分暴露窗口的壳体的外部的一部分。在一些实施方式中，水分传输适配器配置为以与通过土壤环境传输水分基本上相同的速率将水分从灌溉板传递至可溶胀元件。

在一些实施方式中，本发明的系统进一步包括过滤器，该过滤器限定穿孔的细长管状体，该细长管状体配置为用于将水分传输适配器容纳在其中。

在一些实施方式中，本发明的系统进一步包括刚性元件，该刚性元件被连接至可溶胀元件并且配置为在可溶胀元件溶胀或移位时将来自可溶胀元件的压缩压力传递至柔性管。

在一些实施方式中，本发明的系统进一步包括不可透水的的适配器盖，该适配器盖被定位为阻挡水分向适配器的至少一部分传输。

在一些实施方式中，本发明的系统不包括电子部件。

在一些实施方式中，本发明的方法进一步包括将灌溉板放置在植物下方的土壤环境的区域中，使得柔性管将水输送至灌溉板，并且适配器提供从灌溉板向可溶胀元件的水分传递。

在一些实施方式中，水分从可溶胀元件的流出减小了由可溶胀元件施加在柔性管上的收缩力，收缩力的减小使得水能够流动通过柔性管。

在一些实施方式中，水分传输适配器配置为以与通过土壤环境传输水分基本上相同或更高的速率将水分从植物下方的土壤环境的区域传递至可溶胀元件。

在一些实施方式中，本发明的方法用于自动地和非电子地控制植物的灌溉。

在一些实施方式中，植物下方的土壤环境的区域距可溶胀元件至少10cm。

除了上述示例性方面和实施方式之外，通过参考附图和通过研究以下详细描述，其他方面和实施方式将变得显而易见。

附图说明

在附图中图解了示例性实施方式。在附图中显示的部件和零件的尺寸通常是为了表示的方便和清楚而选择的，并且不一定按比例显示。在下面列出附图。

图1显示根据某些实施方式的在植物灌溉中使用的自主灌溉系统；

图2显示了根据某些实施方式的自主灌溉系统的壳体；

图3A-3C显示了根据某些实施方式的自主灌溉系统；

图4A-4B显示了根据某些实施方式的灌溉板；

图5显示了根据某些实施方式的水分传输适配器过滤器；

图6显示了根据某些实施方式的包括止回阀的柔性灌溉管；

图7显示了根据某些实施方式的配置为灌溉田间植物的自主灌溉系统；

图8显示了根据某些实施方式的配置为灌溉多株植物的多个自主灌溉系统。

图9显示了根据某些实施方式的配置为灌溉盆中的植物的自主灌溉系统，插入了放大视图；和

图10显示了使用自主灌溉系统生长的三株植物和每三天一次由计算机浇水的一株植物根部的水分的浇水曲线。

具体实施方式

本文公开了用于调节植入土壤环境中的植物的灌溉的自主的、非电子灌溉系统。在一些实施方式中，灌溉系统是自控的。在示例性实施方式中，自主灌溉系统包括壳体；柔性管，其穿过壳体并配置为向植物提供灌溉；可溶胀元件，其布置在邻近灌溉管的壳体内并且配置为从水分吸收溶胀并在水分流出时收缩；和水分传输适配器，用于将期望位置的水分含量(moisture level)传递至可溶胀元件。自主灌溉系统被设计为至少部分地植入邻近植物根部的土壤中。壳体可以部分或完全植入土壤环境中，以便使可溶胀元件能够暴露于反映土壤环境中的水分含量的水分含量。壳体也可以被植入使得可溶胀元件部分地暴露于大气空气中，以使可溶胀元件能够以与土壤环境类似的方式将水分排放到空气中。

在从周围的土壤环境吸收水分后，可溶胀元件溶胀并向柔性管施加压缩力，从而限制或完全阻止水流动通过柔性管。当可溶胀元件中的水通过例如土壤环境蒸发或吸收而流出时，可溶胀元件收缩，因此减小了施加到柔性管的压缩力，并使水以增加的速率流动通过柔性管。自主灌溉系统可以被配置为使得通过柔性管的正常流速足以防止柔性管堵塞。在某些实施方式中，柔性管可以包括止回阀，该止回阀可以被配置为防止昆虫、土壤或碎屑进入柔性管并可能阻塞或损坏柔性管。在某些实施方式中，通过其将水从柔性管中倒出的柔性管开口可以位于与可溶胀元件预定的距离处，以在可溶胀元件溶胀并压缩柔性管前提供在土壤环境中足够的水分含量。

任选地，自主灌溉系统包括偏置螺钉，该偏置螺钉配置为控制水流动通过柔性管的初始最大速率。拧紧偏置螺钉向可溶胀元件施加初始压缩力，其继而压缩柔性管，从而限制了通过柔性管的最大流速。相反地，松开偏置螺钉减小了通过可溶胀元件施加到柔性管的恒力，因此将最大流速增加到柔性管的全流速。

在某些实施方式中，柔性管可以从土壤环境的表面灌溉土壤环境，使得水渗过土壤环境。在其他实施方式中，该系统可以包括布置在植物盆下方或形成其整体部分的灌溉板或灌溉垫；或植入植物根部下方的土壤中。灌溉板被配置为接收并保持期望的灌溉量，然后该灌溉量被吸收并且通过土壤环境可控地向上分散。水分可以通过例如穿透传输从灌溉板吸收到土壤环境中。水分通过土壤环境分散并到达根部，因此为植物提供必需的水。灌溉板可将水分散在更大的表面积上，从而确保整个土壤环境一致的最佳水分含量。使用灌溉板进行灌溉还可以减少到达根部的水中的矿物质含量或盐分，因为只有水被土壤环境吸收，而任何矿物质含量都作为残留物保留在灌溉板中。

在一些实施方式中，自主灌溉系统是非电子的。在一些实施方式中，灌溉系统完全机械地操作。在一些实施方式中，自主灌溉系统被配置为完全植入土壤中。在一些实施方式中，自主灌溉系统被配置为部分地植入土壤中。在一些实施方式中，自主灌溉系统被配置为部分地植入土壤中，使得可溶胀元件接触空气。

在某些实施方式中，自主灌溉系统进一步包括水分传输适配器，该适配器被配置为将水分含量从没有紧邻自主灌溉系统的预定位置(例如从灌溉板)传递至可溶胀元件。通过水分传输适配器传递水分含量可以通过向可溶胀元件的穿透传输来进行。水分传输适配器可以在可溶胀元件与柔性管提供灌溉用水的位置(例如在灌溉板处)之间限定预定的距离。可溶胀元件可以布置在灌溉板上方的预定高度处，使得当预定量的水填充到灌溉板中时，可溶胀元件将这样的水分含量传递至可溶胀元件。可选地，可以将水分传输适配器连接到灌溉板。因此，一旦向灌溉板提供了所需量的水，水分含量便会经由水分传输适配器传递至可溶胀元件。这使自主灌溉系统能够更有效地响应，一旦灌溉板接收到足够的水通过限制或停止进一步灌溉。

如本文所使用的，贯穿本文，术语“可溶胀的”或其任何语法上的变化意指使材料具有吸收流体介质的特性，该流体介质通常但非排他性地是含水的，伴随着这种材料的体积增加。在一些实施方式中，可溶胀也是可收缩的。在一些实施方式中，可溶胀的能够响应于水分的吸收或损失而改变体积。

在一些实施方式中，在本领域已知的条件下，在将其浸入100克水中之后，可溶胀材料具有溶胀至少0.1、0.2、0.25、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.75、0.8、0.9、1、1.25、1.5、1.75、2、2.5、3、3.5、4、4.5或5ml的体积的能力。每种可能性代表本发明的单独实施方式。在一些实施方式中，在本领域已知的条件下，在将其浸入100克水中之后，可溶胀材料具有溶胀在0.1-5.0之间、0.1-3之间、0.1-1之间、0.1-0.75之间、0.1-0.5之间、0.25-5之间、0.2-3之间、0.25-1之间、0.25-0.5之间、0.5-5之间、0.5-3之间、0.5-1之间、1-5之间或1-3ml之间的体积的能力。每种可能性代表本发明的单独实施方式。在一些实施方式中，在浸入水中之后，可溶胀材料具有溶胀其体积的至少10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100％的能力。每种可能性代表本发明的单独实施方式。

在一些实施方式中，在从可溶胀材料释放流体介质之后，溶胀为至少70％、至少75％、至少80％、至少85％、至少90％、至少95％，或在一些实施方式中，甚至完全是可逆的。在一些实施方式中，溶胀是100％可逆的。在一些实施方式中，可溶胀元件为可逆地可溶胀元件，配置为在吸收水分时溶胀和在失去水分时收缩。在一些实施方式中，水分的损失是由于蒸发、干燥和/或扩散。在一些实施方式中，管邻近壳体内的可溶胀元件布置，使得溶胀的可溶胀元件的收缩释放柔性管，从而不限制水从其流过。可选地，可以通过蒸发或干燥从可溶胀材料中释放流体介质。

可溶胀元件可以用由于水分从元件的摄入或流出而改变体积的任何材料制成。这种可溶胀材料在本领域是众所周知的，并且可以使用任何这样的元件，包括但不限于水凝胶、粘土、料浆、橡胶等。在一些实施方式中，可溶胀材料包括橡胶。在一些实施方式中，橡胶是天然橡胶。在一些实施方式中，橡胶是硫化橡胶。在一些实施方式中，橡胶是人造橡胶。在一些实施方式中，人造橡胶是亲水性材料或化合物的化学组合。在一些实施方式中，可溶胀元件包括亲水性材料。在一些实施方式中，可溶胀元件包括能够改变体积的材料和亲水性材料。在一些实施方式中，可溶胀元件能够响应水分的摄入或流出而改变体积。在某些实施方式中，可溶胀元件可由各种形式的硅酸盐矿物比如膨润土制成，但不限于此。可溶胀元件可具有不同水平的亲水性和溶剂化特性。不受任何具体理论的约束，膨润土的溶胀可以由于薄片(platelet)表面水平的水吸收和/或通过穿透排斥力引起，迫使薄片分离和展开。在一些类型的膨润土中，比如主要为钠阳离子(Na⁺)的钠膨润土，水可以深入薄片，迫使薄片分开，因此导致溶胀。相反地，由于强的正电荷防止水渗入薄片，主要为钙阳离子(Ca²⁺)的钙膨润土可能具有低的吸收特性。因此，在主要为钙阳离子的钙膨润土中，薄片更可能剥落而不是溶胀。

当膨润土分散在水中时，可以形成具有高粘度和触变性的高度稳定的胶体悬浮液。在浓度足够高的膨润土下，这种悬浮液可能具有凝胶特征。当水分子渗入薄片夹层时可以形成悬浮液。氢桥键可以由水分子中包含的氢原子形成。薄片彼此隔离，同时通过水的介入结合。当膨润土静置时，可能会因掺入水而形成网眼，使膨润土凝胶化。相反，在机械应力下，这些结合可能会部分断裂，因此允许薄片更自由地运动。在这些条件下的粘度低于静止时的粘度。干燥时膨润土的密度可能在例如2.2克/立方厘米(g/cm³)至2.8g/cm³的范围内变化。研磨过的膨润土可具有根据研磨机的细度在0.7g/cm³至0.9g/cm³的范围内变化的表观密度。

图1图解了根据某些实施方式的利用自主灌溉系统100的植物灌溉布置。植物170包括可以植入土壤环境175中的根部172。灌溉板180基本上布置在根部172下方并被供应水用于灌溉树170。当水分从灌溉板180被土壤环境175吸收时，土壤的水饱和度增加并通过土壤环境175向上分散，直到其到达自主灌溉系统100。在某些实施方式中，灌溉板180可以使水分能够通过土壤环境175渗透传输到根部172，以为植物170提供必要的水摄入，而在水中没有可能对植物的寿命有害的盐或矿物质。在某些实施方式中，灌溉板180的表面积可根据根部172的大小来确定尺寸，以确保邻近根部172的土壤环境175被润湿。

灌溉板180不需要插入地面中，而是可以是盆(比如用于盆栽植物)的底部。实际上，灌溉板180可以是阻止水流失的任何储水材料或机构。灌溉板180可以是任何储水容器，该储水容器可以防止由系统100沉积的水由于重力而继续向下流动，而是允许水向上流动通过土壤环境175。因此，灌溉板180可以是在根部172下方的任何容器、托盘、盆、尼龙板、花圃箱、花槽或器皿。灌溉板180甚至可以是在土壤环境175下面的无污层(non-dirt layer)。许多花园和公园都建在无污建筑材料(比如混凝土或沥青)层之上。在这种情况下，该层可充当灌溉板，因为它可以防止水继续向下并凭借重力远离根部。

自主灌溉系统100包括壳体120、偏置螺钉140和偏置螺钉手柄145。偏置螺钉140和手柄145可以是任选的。自主灌溉系统100可以在预定深度处植入邻近根部172的土壤环境175中。例如，自主灌溉系统100可以在1-5厘米(cm)的深度范围内与植物170相邻地植入。在某些实施方式中，壳体120可以在预定深度处植入土壤环境175中，使得可溶胀元件暴露于反映土壤环境175的水分含量的水分含量。在一些实施方式中，壳体120在预定深度处部分地植入土壤环境175中，使得可溶胀元件至少部分地在地面之上。在一些实施方式中，壳体120在预定深度处部分地植入土壤环境175中，使得可溶胀元件与空气接触。预定深度还可以向溶胀元件提供对环境空气的充分暴露，以促进必要的水流出速率，以模拟水从土壤环境175流出的速率。预定深度可以根据土壤环境175的土壤水压特性和/或植物吸水率而变化。例如，在植物170是需要频繁灌溉的热带植物的情况下，壳体120可以被植入使得可溶胀元件对土壤环境170的暴露减少而对大气的暴露更多。在植物170可以是沙漠或保水品种(例如仙人掌或多肉植物)的情况下，壳体120可以被更深地植入，以提供对大气空气的减少的暴露，因此模拟水从可溶胀元件中更缓慢的流出速率。因此，壳体120和可溶胀元件可以被放置在最能模仿其灌溉的植物170的水动力学的位置。

自主灌溉系统100进一步包括穿过壳体120的柔性管110，并且柔性管110配置为使水从主灌溉管109流到土壤环境175，或直接流到灌溉板180。在某些实施方式中，柔性管110可以由有机硅，例如有机硅橡胶组成，以在当将压缩力施加到柔性管110时承受水压并防止柔性管110的壁粘附在一起。在某些实施方式中，柔性管110可以包括在3-5毫米(mm)的范围内的外径和在1-3mm的范围内的内径。

在一些实施方式中，柔性管110配置为将水直接沉积到板180中。在一些实施方式中，柔性管110配置为将水沉积靠近板180。在一些实施方式中，靠近包括距某位置不大于1、2、3、5、7、10、15或20cm的距离。每种可能性代表本发明的单独实施方式。在一些实施方式中，柔性管110配置为将水沉积靠近根部172。在一些实施方式中，柔性管110配置为将水沉积靠近根部172末端。在一些实施方式中，柔性管110配置为将水沉积靠近根部172最深末端。随着水开始从灌溉板180和柔性管110的末端向上扩散，技术人员将认识到这两个部件都可以理想地放置在植物170的根部结构的底部。在一些实施方式中，板180靠近根部172。在一些实施方式中，板180靠近根部172末端。在一些实施方式中，板180靠近根部172最深末端。在一些实施方式中，管的末端不靠近壳体元件和/或可溶胀元件。在一些实施方式中，管的末端距壳体元件或可溶胀元件至少2、3、4、5、7、10、15、20、25或30cm的距离。每种可能性代表本发明的单独实施方式。

在一些实施方式中，系统100在板180处、在柔性管110的出口处或在根部172的最深末端处感测水分。在一些实施方式中，系统100响应于在板180处、在柔性管110的出口处或在根部172的最深末端处的水分。在一些实施方式中，系统100响应于在板180处、在柔性管110的出口处和/或在根部172的最深末端处的水分缺乏进行灌溉。在一些实施方式中，系统100响应于在板180处、在柔性管110的出口处和/或在根部172的最深末端处的水分进行灌溉和/或停止灌溉。由于系统100是非电子的，因此术语“感测”是指系统通过释放更多的水和/或减慢/停止水的释放来响应水分含量。

自主灌溉系统100进一步包括容纳在壳体120内的可溶胀元件(未显示)。可溶胀元件直接或间接地暴露于土壤环境175所携带的水分。在一些实施方式中，可溶胀元件暴露于自主灌溉系统100周围的土壤175中的水分。在一些实施方式中，可溶胀元件暴露于不靠近自主灌溉系统100的土壤175中的水分。在一些实施方式中，可溶胀元件暴露于在板180处或靠近板180、柔性管110的出口或在根部172的最深末端处在土壤175中的水分。自主灌溉系统100进一步包括水分传输适配器152。传输适配器152将水分从土壤175中的较远位置传输至可溶胀元件。该较远位置可以任选地在板180处或靠近板180、柔性管110的出口和/或在根部172的最深末端处。传输适配器152可配置为将水分含量从除了邻近自主灌溉系统100的最接近的土壤环境以外的位置传递至可溶胀元件。因此，水分传输适配器152可以向可溶胀元件提供例如在不同水平的土壤175处或灌溉板180处的水分含量的指示。通过采用水分传输元件152，自主灌溉系统100可以在地表水平(surface level)被植入，但是配置为对在土壤环境175或灌溉板180内的期望深度处的水分含量的变化做出反应，以提供对植物170的灌溉的更有效控制。在一些实施方式中，传输适配器152允许在远端位置处感测。

图2图解了具有水分传输适配器152的壳体120。壳体120包括细长体，该细长体在一端具有任选的开口123，并在其中限定了中空腔。任选地，壳体120限定了具有在8mm和12mm之间的内径和在12mm和16mm之间的外径的圆柱体。任选地，壳体120具有在30mm和40mm之间的长度。任选地，壳体120可以由丙烯酸酯类聚合物组成，例如甲基丙烯酸酯、聚(甲基丙烯酸甲酯)、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯等。壳体120可以包括暴露窗口135、136，该暴露窗口135、136可以配置为将布置在壳体120的中空腔内的内部部件暴露于环境，例如，土壤环境175或大气空气。任选地，暴露窗口135、136可以具有在17mm至21mm的范围内的高度和在0.5mm至3.5mm的范围内的宽度。壳体120可以包括管开口121、122。管开口121、122可以布置在相对侧上以使得柔性管110能够横向穿过壳体120。管开口121、122可以具有在3mm至6mm的范围内的直径，以允许柔性管110从中穿过。任选地，壳体120包括暴露孔(未显示)，该暴露孔配置为提供存储在壳体120的腔内的内部部件对环境的额外暴露。任选地，暴露孔小于暴露窗口135、136。

在某些实施方式中，水分传输适配器152可以配置为围绕壳体120装配的套筒，使得它完全或部分覆盖暴露窗口135、136和任何暴露孔。水分传输适配器152可以由机织元件制成，比如由具有期望的芯吸特性的纤维比如马尼拉麻、大麻、棉花、聚丙烯、聚酯、芳族聚酰胺等制成的套筒或绳索。在一些实施方式中，水分传输适配器152可以由多孔材料组成，例如由聚丙烯、聚醚、聚酯、纤维素等组成的海绵。在某些实施方式中，水分传输适配器152配置为模仿土壤环境175的水分传输特性，使得水分传输适配器152以与水分在土壤环境175内分散的速率相同的速率传输水分。因此，水分传输适配器确保可溶胀元件的水分含量反映土壤环境175内或灌溉板180期望的位置处的水分含量。任选地，水分传输适配器152具有在10mm至25mm的范围内的宽度或直径和在3cm和10cm的范围内的长度。

在一些实施方式中，水分传输适配器通过毛细作用传输水。在一些实施方式中，水分传输适配器包括可以容纳吸收的水的具有弹力的吸收材料。在一些实施方式中，水分传输适配器为芯材、细绳、绳索等，包括吸收材料的股线。在一些实施方式中，水分传输适配器为人造根。在一些实施方式中，适配器模仿根部的毛细管水传输。在一些实施方式中，适配器包括等于或大于土壤的速率的毛细作用速率。在一些实施方式中，适配器包括大于土壤的速率的毛细作用速率。可以通过土壤传输水分并用作适配器的材料的非限制性实例包括塑料和合成材料(synthetic)比如聚合物(聚丙烯、聚醚、聚酯等)、尼龙和聚酯，以及天然材料比如纤维素、棉花和其他织物。在一些实施方式中，适配器由聚合物制成。在一些实施方式中，适配器由塑料制成。在一些实施方式中，适配器是纤维网。

图3A-3C显示了根据某些实施方式的自主灌溉系统100的侧视图和纵向截面视图。自主灌溉系统100包括穿过壳体120的相对壁的柔性管110。壳体120进一步包括偏置螺钉140，该偏置螺钉140可以配置为通过对图3B和3C中显示的溶胀元件130施加连续的压缩力，进而对柔性管110施加压缩力来调节柔性管110中期望的最大水流量(water flow rate)，从而限制(constrict)水从其流动通过。偏置螺钉140可以包括把手或手柄145以使偏置螺钉140容易操纵。偏置螺钉140可以通过图2中显示的开口123中的内螺纹接合在壳体120内。

参考图3B，自主灌溉系统可以包括可溶胀元件130，该可溶胀元件130配置为在吸收水分时溶胀。在某些实施方式中，可溶胀元件130可以由膨润土或具有期望的亲水性和溶剂化特性的另一种类似材料组成。任选地，可溶胀元件130是圆柱形的，并且具有使可溶胀元件130能够装配在壳体120内的直径，例如在8mm至10mm的范围内的直径。可溶胀元件130可以通过开口123插入由壳体120限定的中空空间中，并通过偏置螺钉140或另一种形式的盖子或密封件封闭在壳体120内。通过用螺钉、卡扣、磁体或任何类似的密封方法将这种封闭件(closure)固定在可溶胀元件中，使得它只在柔性管110的方向上膨胀。可溶胀元件130可以邻近柔性管110布置，使得当可溶胀元件130溶胀时，它将压缩力施加至柔性管110。

可溶胀元件130可以被连接至刚性元件132，该刚性元件132可配置为将由可溶胀元件130施加的压缩力传递至柔性管110。将认识到，可溶胀元件130可能缺乏用以有效地施加压缩力至柔性管110而不引起可溶胀元件130本身的一些变形的足够的刚性。刚性元件132可以在可溶胀元件130和柔性管110之间被连接至可溶胀元件130，使得当可溶胀元件130溶胀，可溶胀元件130将刚性元件132推向柔性管110，因此将全部压缩力施加至柔性管110。刚性元件132可以限定例如圆柱体或半球，该圆柱体或半球的直径等于在与可溶胀元件相邻的一侧上的可溶胀元件130的直径，使得可溶胀元件130的任何变形最小化。在一些实施方式中，刚性元件132包括两个半球，它们的弯曲表面将从相对侧推向柔性管110。所述半球中的第一个在其平坦表面处被连接至可溶胀元件130，并且所述半球中的第二个布置在壳体120的封闭端与柔性管110之间。刚性元件132可由丙烯酸酯类聚合物制成，例如甲基丙烯酸酯、聚(甲基丙烯酸甲酯)、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯等。刚性元件132可以是任何形状，使得它将使可溶胀元件130膨胀的力施加至柔性管110。刚性元件132可以具有接合或接触可溶胀元件130的平坦表面。平坦表面可完全覆盖或部分覆盖可溶胀元件130。刚性元件132可以是弯曲的或变尖(come to a point)(像三角形一样)，刚性元件在该尖端处接触并将力施加至柔性管110。

现参考图3C，显示了处于溶胀状态并压缩柔性管110的可溶胀元件130。壳体120和偏置螺钉140配置为引起可溶胀元件130朝着柔性管110引导其压缩力。当可溶胀元件130吸收水分并变得完全饱和时，可溶胀元件130将压缩力施加至柔性管110，通过捏紧该压缩力以部分或完全关闭来限制或完全阻止水流动通过柔性管110。通过可溶胀元件130使柔性管110收缩减少了通过自主灌溉系统100供应至土壤环境175或灌溉板180的水的量。随着时间的推移，由于植物经由根部172吸收水或蒸发进入大气，土壤环境175中的水分减少。可溶胀元件130可以经由暴露窗口135、136暴露于空气，这可能例如由于脱水引起水从可溶胀元件130流出。在土壤环境中没有额外的水分的情况下，从可溶胀元件130流出的水分的速率可以高于水分吸收的速率，这可能引起可溶胀元件130收缩。当可溶胀元件130收缩时，柔性管110上的压缩力减小，从而使水能够再次流动通过柔性管110。

图4A-4B显示了根据某些实施方式的灌溉板180。任选地，灌溉板180为立方体形状、矩形长方体形状、圆柱形状、半球形状等。在某些实施方式中，其中灌溉板180为圆柱体，灌溉板180可以具有在50-200cm的范围内的直径，这可以提供通过土壤环境175吸收水的最佳表面积。灌溉板180可以包括在10-500mm的范围内的深度，用以存储水并在由柔性管110容纳水时防止水溢出。灌溉板180可以包括连接器181，该连接器181配置为连接至水分传输适配器152。在一些实施方式中，灌溉板是植物盆或包含植物的盆的一部分。在一些实施方式中，灌溉板是盆的底部。在一些实施方式中，盆的底部不包括用于释放水的孔，或者如果存在孔，则该孔已被塞住。

参考图4B和5，显示了配置为连接至水分传输适配器152的过滤器400。过滤器400可以由聚乙烯组成，过滤器400用于容纳水分传输适配器152并防止水分传输适配器152连接在灌溉板180和可溶胀元件130之间的偏差。在某些实施方式中，水分传输适配器152可以用螺钉附连连接至连接器181。在某些实施方式中，水分传输适配器152可以通过插入连接器181中被连接至连接器181。过滤器400可以由聚合物或塑料或确保适配器和板之间的正确连接的任何材料组成。

参考图6，显示了根据某些实施方式的包括止回阀600的柔性管110的一部分。止回阀600可以被连接至柔性管110的灌溉端，例如，将水提供至土壤环境175和/或灌溉板180的一端。止回阀600可以配置为使水能够从柔性管110流出，同时防止土壤和碎屑进入柔性管110，这会导致自主灌溉系统100堵塞和故障。在某些实施方式中，止回阀600可以由有机硅等制成。在某些实施方式中，止回阀600可以包括开口605。在某些实施方式中，开口605包括使水能够流出并防止动物和碎屑进入止回阀600中的柔性唇缘。任选地，止回阀600可为隔膜止回阀、旋启式止回阀、鸭嘴阀等。

图7显示了根据某些实施方式的配置为灌溉田间植物700的自主灌溉系统100。在某些实施方式中，自主灌溉系统100可配置为在田间灌溉田间植物705。在某些实施方式中，灌溉板180可以位于田间植物705的下方。由于穿透传输，来自灌溉板180的水可以被垂直位于灌溉板180上方的田间土壤环境700吸收。因为额外的水分被田间土壤环境700吸收，土壤的水饱和度增加，迫使水分通过田间土壤环境700垂直上升到田间土壤环境700的表面。水分传输适配器152可以布置为使得其将水分从灌溉板180附近传递到自主灌溉系统100。壳体120可以被植入在足够靠近田间植物705的田间土壤环境700中，使得容纳在壳体120内的可溶胀元件响应通过水分传输适配器152传递的灌溉板180处的水分含量以及在根部710附近的田间土壤环境700处的水分含量而溶胀。任选地，只有适配器152可以接触可溶胀元件，使得可溶胀元件只有响应来自适配器的水分而溶胀。

适配器的零件可被非吸收性或非渗透性材料覆盖，使得水分无法在这些覆盖区域中进入适配器。在一些实施方式中，覆盖了除其远端(相对于可溶胀元件)之外的整个适配器。在一些实施方式中，覆盖了适配器的至少10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或95％。每种可能性代表本发明的单独实施方式。在一些实施方式中，覆盖了适配器的至多10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90或95％。每种可能性代表本发明的单独实施方式。在一些实施方式中，覆盖了适配器的10-90％、20-90％、30-90％、40-90％、50-90％、60-90％、70-90％、10-80％、20-80％、30-80％、40-80％、50-80％、60-80％、70-80％、10-70％、20-70％、30-70％、40-70％、50-70％、60-70％、10-50％、20-50％、30-50％、40-50％、10-40％、20-40％、30-40％、10-30％、20-30％或10-20％之间。每种可能性代表本发明的单独实施方式。在一些实施方式中，覆盖了适配器的至少1cm、2cm、3cm、4cm、5cm、6cm、7cm、8cm、9cm、10cm、15cm、20cm或25cm。每种可能性代表本发明的单独实施方式。在一些实施方式中，覆盖了适配器的至多1cm、2cm、3cm、4cm、5cm、6cm、7cm、8cm、9cm、10cm、15cm、20cm或25cm。每种可能性代表本发明的单独实施方式。在一些实施方式中，覆盖了适配器的1-20cm、1-15cm、1-10cm、1-7cm、1-5cm、1-3cm、3-20cm、3-15cm、3-10cm、3-7cm、3-5cm、5-20cm、5-15cm、5-10cm、5-7cm、7-20cm、7-15cm、7-10cm、10-20或10-15cm之间。每种可能性代表本发明的单独实施方式。技术人员认识到，适配器可以沿其长度从任何地方或每个地方传输水，和通过覆盖某些区域，可以控制使可溶胀元件溶胀的水分来源。在一些实施方式中，仅最远端区域和可溶胀元件处的区域未被覆盖。在一些实施方式中，仅最远端未被覆盖。在某些实施方式中，只有植物根部末端的灌溉板处的区域未被覆盖。

图8显示了根据某些实施方式的配置为灌溉多株植物801的多个自主灌溉系统807。为了灌溉多株植物，将植物801中的每一株种植在各自的灌溉板180上方。每株植物801被提供了连接至引线管850的自主灌溉系统807。引线管850可配置为作为多株植物的主要水源。在某些实施方式中，多株植物可以是不同类型的植物，其中每种植物为了生存和生长需要不同体积的水。每个自主灌溉系统807包括可溶胀元件(未显示)，该可溶胀元件调节用于各株植物801的水配给量(ration)。因为由于比如植物类型、生长速率、相对湿度、空气流速、植入植物的土壤类型等因素，每株植物801可能需要不同量的水，每株植物801的水配给量可能不同。

如图9中所显示，待灌溉的植物不一定在田间，而是可以在任何地方生长，包括但不限于盆、花园、住宅、移植床(planting bed)和温室。任何生长中的植物都可以用本发明的系统和方法进行灌溉。在一些实施方式中，待灌溉的植物在盆中。在一些实施方式中，待灌溉的植物在花园中。在一些实施方式中，待灌溉的植物在住宅中。在一些实施方式中，待灌溉的植物不是树。在一些实施方式中，待灌溉的植物是花。在一些实施方式中，待灌溉的植物是灌木。

图9显示了装置100可以部分地插入生长培养基(土壤)中，使得可溶胀元件130以及任选地可溶胀元件的窗口或其他进入点在地面上方。壳体120的下部在生长培养基内并将装置100锚定在适当位置处，这样它不会从植物901上离开。柔性管110从壳体120进入生长培养基，在那里它可以释放水。水分传输适配器152进一步延伸到生长培养基中，并向下延伸至灌溉板180。显示植物901和装置100在盆960内，盆960包括底部962中的排水孔961。任选地，如果底部962不包括孔，则底部962本身可以是灌溉板，而无需单独的灌溉板。可选地，由于许多花盆具有孔，所以如果排水孔961被植物的根部或塞子填充，则底部962本身可以是灌溉板，而不需要单独的灌溉板。塞子可以由封闭整体的任何材料制成。可能的材料包括橡胶、木材、陶瓷、塑料、纸或金属。塞子不需要完全防水，只要水不能轻易地从孔中排出，容纳植物的容器底部就足以作为灌溉板。

图10显示了在4种单独生长的植物的根部的水分含量的浇水曲线。使用全部都附连到同一水源的本发明的3种装置灌溉3株植物(A、B和C)，而通过计算机灌溉第四棵植物，每三天浇一次水。植物A、植物B和植物C均具有不同的浇水要求。从图10中可以看出，尽管它们各自需要不同量的水，但是使用本发明的装置使植物根部的水分含量保持在恒定水平。这确保了植物永远不会太干燥并且也永远不会太湿润。相比之下，计算机自动浇水在浇水当天导致非常高的水分含量，到浇水前那天迅速降至零。这样浇水的植物有时会太干，但是在其他时间会淹死。而且，由于植物无法吸收全部的水，因此浪费了来自计算机浇水的大量水。这些问题在下雨或极端炎热的时候会变得更加严重，而分别在浇水过多和浇水不足时甚至会更加严重。这示例了本发明的极端优势，因为园丁或农民可以在很少或根本没有监督的情况下使用本发明的装置，并确保不同的植物都被适当地浇水。

在一些实施方式中，待灌溉的第一株植物和待灌溉的第二株植物需要不同量的水分或以不同的速率吸收水分，并分别通过本发明的第一系统和第二系统灌溉，其中第一系统和第二系统从同一来源接收水。在一些实施方式中，分别通过本发明的两个以上的系统灌溉多于两株的植物，其中所有系统从同一来源接收水。在一些实施方式中，本发明的系统在植物的根部产生基本恒定的水分含量。在一些实施方式中，基本恒定的水分含量包括不大于5％、10％、15％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％或50％的变化。每种可能性代表本发明的单独实施方式。

在一些实施方式中，提供了一种方法，包括提供本发明的系统，在与植物相邻的预定深度处将该系统的壳体至少部分地植入土壤环境中，配置柔性管以将水输送到植物下方的土壤环境的区域，配置水分传输适配器的位置，以便提供从下方的土壤环境的区域向可溶胀元件的水分传递，和使水流动通过柔性管。

在一些实施方式中，壳体被完全植入土壤环境中。在一些实施方式中，壳体被部分植入土壤环境中。在一些实施方式中，部分植入包括将壳体的至少1cm、2cm、3cm、4cm、5cm、6cm、7cm、8cm、9cm或10cm植入土壤环境中。每种可能性代表本发明的单独实施方式。在一些实施方式中，壳体被部分植入使得可溶胀元件接触空气。在一些实施方式中，壳体被部分植入使得水分可以通过蒸发从可溶胀元件去除。在一些实施方式中，部分植入包括在可溶胀元件和空气之间的接触。

在一些实施方式中，在植物下方的土壤环境的区域距可溶胀元件至少3cm、5cm、7cm、9cm、10cm、12cm、15cm、17cm或20cm。每种可能性代表本发明的单独实施方式。在一些实施方式中，在植物下方的土壤环境的区域没有靠近可溶胀元件。在一些实施方式中，管的出口端没有靠近可溶胀元件。在一些实施方式中，灌溉板没有靠近可溶胀元件。

在一些实施方式中，该方法进一步包括将灌溉板放置在植物下方的土壤环境的区域中。在一些实施方式中，灌溉板被植入土壤环境中。在一些实施方式中，灌溉板是容纳植物的容器的底部。在一些实施方式中，灌溉板被放置为使得柔性管可以将水输送到灌溉板。在一些实施方式中，该系统被连接到水源，比如水龙头。在一些实施方式中，柔性管的一端被连接到水源，而另一端被定位成将水输送到植物下方的土壤环境的区域。在一些实施方式中，适配器提供从灌溉板向可溶胀元件的水分传递。

在一些实施方式中，水分从可溶胀元件的流出减小了由可溶胀元件施加在柔性管上的收缩力。在一些实施方式中，收缩力的减小使得水能够流动通过柔性管。在一些实施方式中，水流持续存在，直到足够的水被输送到植物下方的土壤环境的区域，以引起水分经由适配器传输至可溶胀元件以再次溶胀并关闭柔性管。这样，系统可自动调节植物的浇水而无需任何传感器或电子设备，并确保植物的根部永远不会太湿润并且也永远不会太干燥。

技术人员将认识到，浇水过少和浇水过多均可杀死植物。浇水太少而植物干渴而死；浇水过多而植物窒息而死，因为泥土不允许空气进入根部。仅检测/测量/响应于土壤表层水分的系统通常会低估根部可用的水量。即使当较深的土壤仍很湿润时由于靠近土壤表面、来自太阳的热量和空气的蒸发会产生水分含量低的土壤。而且，植物吸收的水分可以降低在较高土壤水平处的水分含量，而根部仍然浇水良好。如果灌溉系统没有响应根部底部的水分含量，则可能导致浇水过多。本发明的系统和方法采用传输适配器以确保植物不会因浇水过多而被杀死，并提供了优于本领域已知的其他灌溉系统的优点。此外，由于不使用电子设备，因此可以在没有插座或不需要电池或太阳能板的情况下使用该系统。另外，由于该系统直接响应于植物根部的水分，因此可以将多个系统插入到需要不同水量的多株不同的植物附近，并且仍然可以正确灌溉每株植物。

在整个本申请中，本发明的各种实施方式可以以范围格式呈现。应当理解，范围格式的描述仅是为了方便和简洁，而不应被解释为对本发明范围的僵化限制。因此，应该将范围的描述视为已明确公开了所有可能的子范围以及该范围内的各个数值。例如，对范围从1到6的描述应视为已明确公开了子范围，比如1到3、1到4、1到5、2到4、2到6、3到6等，以及该范围内的单个数字，例如1、2、3、4、5和6。无论该范围的宽度如何，这都适合。

每当在本文中指示数值范围时，意思是包括在指示范围内的任何引用的数值(小数或整数)。短语“范围在(ranging/ranges)”第一指示数字和第二指示数字“之间(between)”和“范围从(ranging/ranges from)”第一指示数字“至”第二指示数字在本文中可互换使用，并且意在包括第一指示数字和第二指示数字，以及它们之间的所有小数和整数。

在本申请的说明书和权利要求书中，词语“包括(comprise)”、“包括(include)”和“具有(have)”中的每一个及其形式不一定限于可以与该词语之相关联的列表中的成员。另外，如果本申请与通过引用并入的任何文件之间存在不一致，特此以本申请为准。

如本文所使用的，术语“约”当与某个值组合时是指参考值±10％。例如，约1000纳米(nm)的长度是指1000nm±100nm的长度。

应该注意，如本文和所附权利要求书中所使用的，单数形式“一(a)”、“一(an)”和“所述(the)”包括复数指示，除非上下文另外明确指出。因此，例如，提及“多核苷酸”包括多个这样的多核苷酸，和提及“多肽”包括提及本领域技术人员已知的一种或多种多肽及其等同物等。还应注意，权利要求书可以被草拟为排除任何可选要素。因此，结合要求保护的要素的叙述或“否定”限制的使用，该陈述旨在用作使用排他性术语比如“单独地(solely)”、“仅(only)”等的先行基础。

在使用类似于“A、B和C等中的至少一个”的约定的那些情况下，通常这样的结构的意义旨在本领域技术人员将理解该约定(例如，“具有A、B和C中的至少一个的系统”包括但不限于只有A、只有B、只有C、A和B一起、A和C一起、B和C一起、和/或A、B和C一起等的系统)。本领域技术人员将进一步理解，实际上，无论是在说明书、权利要求书还是附图中，呈现两个或更多个可选术语的任何析构词和/或短语都应理解为考虑了包括术语中的一个、任一个术语或两个术语的可能性。例如，短语“A或B”将被理解为包括“A”或“B”或“A和B”的可能性。

认识到，为了清楚起见在单独实施方式的上下文中描述的本发明的某些特征也可以在单个实施方式中组合提供。相反，为简洁起见，在单个实施方式的上下文中描述的本发明的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合来提供。与本发明有关的实施方式的所有组合都被本发明具体地涵盖，并在本文中被公开，就好像每个组合和每个组合都被单独地并且明确地公开。另外，各种实施方式及其要素的所有子组合也被本发明具体地涵盖，并在本文中被公开，就好像每个这样的子组合在本文中被单独地并且明确地公开。

通过检查以下实施例，本发明的其他目的、优点和新颖特征对于本领域普通技术人员将变得显而易见，而这些实施例并不旨在是限制性的。另外，以上描述的和权利要求书部分要求保护的本发明的各个实施例和方面中的每一个在以下实施例中找到实验依据，并且下文发现的这些实施例应被认为是本发明的实施方式。

以上描述的和权利要求书部分所要求保护的本发明的各种实施方式和方面在以下实施例中找到实验依据。

实施例

以下实施例旨在是说明但绝不限制要求保护的发明。以下实施例代表要求保护的发明的实施方式。

实施例1：湿度从土壤传输到毛细管道(水分传输适配器)并通过管道行进的静态模型。

灌溉系统基本上通过以下过程来操作：

a.湿度从土壤传输到毛细管道(水分传输适配器)；

b.湿度在管道(适配器)中的毛细管进展；

c.阻挡单元(可溶胀元件)的传播；

d.阻挡单元对水管(柔性管)的压力；

e.由于溶胀压力水管的打开和关闭。

我们可以使用菲克定律(Fick′s law)来估算水从土壤到毛细管道的扩散：

此时C是水蒸气的浓度，D是扩散系数，α是每体积单位的吸收率。

在稳定状态下，我们可以说：

我们可以使用该方程来表征a)土壤的湿度(及其随深度的变化)，b)在土壤与管道之间的湿度传输，以及c)管道内部的湿度(该湿度是材料的湿度而不是管子的湿度)。

通过朱林定律(Jurin′s law)给出了细管中的毛细管运动：

此时h是管中的液体高度，γ是表面张力，θ是液体在管壁上的接触角，r是管半径，ρ是液体密度，和g是重力加速度。表面张力和接触角均取决于液体和管材料。

在朱林定律的进一步扩展中，当朱林定律描述中空管的界面张力和重力之间的平衡时，毛细管运动中的主导力是界面张力和重力。通过界面张力压力和和重力压力给出毛细管压力方程：

实施例2：阻挡单元的传播及其对水管的压力。

在处理复合材料的水热特性时，采用了以下方程：

此时ε是应变(归一化伸长率ΔL/L)，σ是应力，E是杨氏模量(弹性模量)，n是泊松比(Poison′s ratio)，α是热系数和β是湿度应变系数。

阻挡单元在管内被关闭，这样ε_x＝ε_y＝0(因为它被束缚，所以没有伸长)。从该边界条件我们可以假设：

如果没有外部应力，我们得出：

σ_x＝-E_xx(α·ΔT+β·ΔC) (方程#8)，

和类似地：

σ_y＝-E_yy(α·ΔT+β·ΔC) (方程#9)，

和对于Z轴，当材料是各向同性的时(E_xx＝E_yy＝E_zz)：

ε_z＝(1+2·n)·(α·ΔT+β·ΔC)(方程#10)。

水管将按压阻挡单元，使得：

此时P是管道对阻挡单元的压力。阻挡物伸长率为ΔZ＝ε_z·Z₀(方程#12)

此时Z₀是初始阻挡高度。

因此，通过下式给出管道的变形：

此时P是每单位长度的外部压力，和EI/r3是管道的刚度。

因此，压力矢量是关于阻挡物直径的长度：

刚度的表达可以给出为：

此时DR是尺寸比并且给出为D/t，此时D是管道直径和t是它的壁厚度。我们可以看到，这种刚度不是管道尺寸(只是管道的比例)的函数。相同的压力将导致相同的垂直位移，但是其对阻挡水的效果取决于管道的尺寸。

为了在阻挡单元伸长和管道变形之间平衡，我们将必须满足：

此时P是抵抗阻挡物伸长的压力。该方程包括水管的弹性及其内部的水压力：

P＝P_水+P_管道(方程#14)。

由此我们可以得到压力的表达：

并且我们可以得到ΔZ。为了完全闭合管道，需要ΔZ＞D_管道。对于较小的值，我们得到非线性阀，然而，对于初始近似值，我们将假定以下线性度：

实施例3：封闭水管的阻挡单元的数值实施例。

在下述实施例中计算了关闭水管所需的适配器管道末端的最低土壤湿度。基于毛细管道的给定长度，以及管道、管子和阻挡单元的给定特性，确定了毛细管道的下边缘中至少为62％的土壤湿度将使毛细运动到阻挡单元的高度，其又将吸收水并关闭水管。

假设管道具有3mm的外径和1mm的宽度，以及10MPa的杨氏模量，则：DR_管道＝3和E_管道＝10*10⁶Pa。

假设阻挡单元具有20mm的长度、5.5mm的直径、0.4的湿度应变系数(而湿度100％的阻挡物在所有轴上的应变为40％，因此其最终体积为其初始体积的270％)、20MPa的杨氏模量，和0.5的泊松比，则：D_阻挡物＝0.0055m，L₀＝0.02m，E_阻挡物＝20*10⁶Pa，和n_阻挡物＝0.5。对于阻挡单元中0.35的湿度和2*10⁵Pa的水压力(2个大气压)，我们得出约3.4MPa的弹性压力和确保关闭管道(所需的位移在1-2mm之间)的2mm的位移。

毛细管覆盖了阻挡单元，因此如果水到达了该单元的高度，阻挡单元将吸收所需的水并阻挡水管。毛细管运动是在多孔吸收结构中。因此通过下式给出由界面张力引起的压力：

当：γ是水的表面张力：70*10^-3N/m(典型的，由于温度而几乎没有变化)，r被限定为管子的半径：0.003m，和θ是水和管壁之间的接触角。

通过下式给出重力压力：

p_c＝h·(ρ_湿-ρ_干)(方程#18)

此时h是毛细管的高度：0.2m，ρ_干是当干燥时毛细管的密度：538kg/m³，和ρ_湿是当完全吸收时毛细管的密度：1216kg/m³。我们可以看到，如果有效半径为约1mm，则由界面压力引起的压力将达到该值。该实施例假定管子是垂直的。当将管配置在对角线上时，由重力引起的压力会减小，这使得可以横跨更长的距离(尽管还需要水平运动)。

在该实施例中，我们可以看出，这些尺寸和特性使毛细管运动得以实现，但是我们对引起水管打开和关闭的湿度感兴趣。毛细管压力方程提供了毛细管中的湿度梯度。如果对于该实施例，并且说明有效的管半径是0.5mm和接触角是40⁰，我们得出由界面张力引起的压力为

该压力使毛细运动达到以下高度：

这意味着毛细管中的湿度梯度为100％/0.32m。如所陈述的，毛细管道的长度是0.2m；因此，对于管道底部至少62％的湿度，毛细管运动将到达阻挡单元并保持湿润。我们称为有效的管半径是因为在该实施例中我们使用多孔结构而不是中空管。当使用多孔结构时毛细管运动要有效得多，因为运动是通过窄空间，并且界面压力变得更大。

现在，我们必须要检查土壤和毛细管之间的湿度传输：

此时C是水蒸气的浓度，D是扩散系数和α是每单位体积的吸收速率。由于几何比例，可以忽略管相交处的梯度。这就是说，在稳定状态下，关闭条件是毛细管道底部的湿度为至少62％。

尽管已经结合本发明的具体实施方式描述了本发明，但是显然，许多替代方案、修改和变化对于本领域技术人员而言是显而易见的。因此，意图涵盖落入所附权利要求书的精神和广泛范围内的所有这种替代方法、修改和变化。

Claims

1.一种系统，其包括：

壳体，其包括配置为在期望的深度至少部分地植入邻近植物的土壤环境中的细长中空体；

可溶胀元件，其尺寸被设置为布置在所述壳体内，所述可溶胀元件配置为在吸收水分时溶胀；

可弹性压缩的柔性管，其配置为向所述土壤环境提供水，所述柔性管横向穿过所述壳体的管开口，所述柔性管邻近所述壳体内部的所述可溶胀元件布置，使得所述可溶胀元件的溶胀或移位压缩所述柔性管，从而限制或防止水从其流过；和

水分传输适配器，其配置为沿着其长度将水分从所述土壤环境内期望的位置传递至所述可溶胀元件。

2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括布置在所述土壤环境内的植物根部下方的灌溉板，所述灌溉板配置为接收并保留来自所述柔性管的水并灌溉所述土壤环境。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述期望的位置是所述灌溉板。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中所述壳体包括暴露窗口，所述暴露窗口被配置为在所述可溶胀元件与所述壳体外部的周围环境之间提供空气和水的传递，并且其中暴露于周围空气导致水从所述可溶胀元件蒸发。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的系统，其中所述灌溉板包括用于将所述传输适配器稳定地附连到其上的连接器。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，进一步包括调节元件，所述调节元件包括配置为与所述壳体的开口端处的内螺纹可旋转地接合的螺钉，所述调节元件被布置在所述壳体内，使得通过旋转所述调节元件将所述水可溶胀元件朝着所述柔性管移动，使得它对所述柔性管施加压缩力。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的系统，其中所述柔性管包括捕获阀，所述捕获阀配置为防止所述土壤环境中的碎屑穿透所述柔性管。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中所述水分传输适配器由纤维或多孔材料制成。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，其中所述水分传输适配器包括套筒，所述套筒配置为包裹包括至少一部分所述暴露窗口的壳体的外部的一部分。

10.根据权利要求2至9中任一项所述的系统，进一步包括过滤器，所述过滤器限定穿孔的细长管状体，所述细长管状体配置为将所述水分传输适配器容纳在其中并连接至所述灌溉板。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的系统，进一步包括刚性元件，所述刚性元件被连接至所述可溶胀元件并且配置为在所述可溶胀元件溶胀或移位时将来自所述可溶胀元件的压缩压力传递至所述柔性管。

12.根据权利要求2至11中任一项所述的系统，其中所述灌溉板是配置为容纳待灌溉的植物的容器的底部。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的系统，进一步包括不可透水的适配器盖，所述适配器盖被定位为阻挡水分向所述适配器的至少一部分传输。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的系统，其中所述系统不包括电子部件。

15.一种方法，其包括：

提供根据权利要求1至14中任一项所述的系统；

在与植物相邻的预定深度处将所述壳体至少部分地植入土壤环境中；

配置所述柔性管以将水输送到所述植物下方的所述土壤环境的区域；

配置所述水分传输适配器的位置，以便提供从所述植物下方的所述土壤环境的所述区域向所述可溶胀元件的水分传递；和

使水流动通过所述柔性管。

16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括将灌溉板放置在所述植物下方的所述土壤环境的所述区域中，使得所述柔性管将水输送到所述灌溉板，并且所述适配器提供从所述灌溉板向所述可溶胀元件的水分传递。

17.根据权利要求15或16所述的方法，其中水分从所述可溶胀元件的流出减小了由所述可溶胀元件施加在所述柔性管上的收缩力，所述收缩力的所述减小使得水能够流过所述柔性管。

18.根据权利要求15至17中任一项所述的方法，其中所述水分传输适配器配置为以与通过所述土壤环境传输水分基本上相同或更高的速率将水分从所述植物下方的所述土壤环境的所述区域传递至所述可溶胀元件。

19.根据权利要求15至18中任一项所述的方法，用于自动地和非电子地控制所述植物的灌溉。

20.根据权利要求15至19中任一项所述的方法，其中在所述植物下方的所述土壤环境的所述区域距所述可溶胀元件至少10cm。