培育耐盐害水稻——土壤传感器为智能农业做出贡献

Release time:2023-09-20
author:AMEYA360
source:村田
reading:2365

  开发耐盐害水稻以应对气候变化

  全球变暖导致的气候变化引起气温上升和海平面上升,世界各地不断出现干旱和大雨的灾害。这对全世界的农作物生长产生了重大影响。目前,世界各地都需要能够应对气候变化的农作物品种,以应对这些事态。在这样的背景下,东北大学和农研机构开发出了耐盐害的水稻。

  盐害是指因土壤和水中含有的高浓度盐分而引起的农作物发育不良。为了分析这种水稻的耐盐害性要素,东北大学和村田制作所于2022年6月到2023年3月,在联合开展一项使用土壤传感器进行的“分析地表根系水稻耐盐害性要素的实证实验”。传感技术是如何对农作物的品种改良做出贡献的呢?关于具备耐盐害性的水稻的概况以及传感技术的活用,我们听取了从事研究工作的东北大学技术专业员半泽荣子女士的见解。

  通过遗传育种开发耐盐害水稻

  半泽女士的专业学术“遗传育种学”是研究什么的呢?

  植物的遗传因素控制其功能性状。“遗传育种学”的研究领域就是解析植物的遗传因素,并导入与目标性状相关的遗传因素等,通过这些技术,去开发前所未有的品种。“功能性状”是指例如决定植物的姿态形状,或可适应各种环境的性质等。说到品种改良,最近备受关注的是基因编辑等,而我们是将品系间的杂交和遗传解析进行结合,通过这种遗传学式的方法,开发出新的品系。

  2020年公布说,通过遗传育种技术开发出了耐盐害的水稻,这种水稻与以往的水稻有什么不同呢?

  2020年公布的耐盐害水稻是根据东北大学和农研机构的联合研究,在世界上首次发现的一种水稻基因。这种基因能使水稻在地表或地表附近横向伸展根部,形成地表根(照片1)。实际上,将这种基因导入水稻栽培品种中,并使用该品系在我们管理的盐害实验用的农场进行评估后的数据结果显示,一般的水稻会因盐害造成产量(农作物的收获量)减少,而根系横向伸展的水稻的减产量低于一般水稻。

  为什么水稻的根横向伸展就不容易受到盐害的影响呢?

  虽然笼统说是盐害,但农田和水田所受到的影响略有不同。农田中的盐害是由于土壤中高浓度的盐分本身对植物细胞造成伤害。而另一方面,水田中的盐害是由于来自盐的过量钠离子增加了土壤的紧密性,土和土之间难以积存氧气,使土壤变成缺氧状态,从而导致农作物发生根部腐烂等发育不良的问题。

  用于有关水稻地表根形成的遗传解析及品种培育的双亲系水稻(左:Sasanishiki,右:Gemdjah Beton)

  除盐也是一种保护农作物免受盐害的方法,那么采用品种改良水稻的益处是什么呢?

  我认为在日本发生大规模的盐害就像东日本大地震后那样是比较少见的情况,所以从水田表层注入淡水将盐分冲入地下的这种除盐作业或许见效会比较快。但是,据报道,目前由于全球变暖引起的气候变化,世界各地的许多国家和地区都发生了盐害。

  干燥地带的盐害是由于不下雨,地下水的盐分上升到地表而造成的。从世界范围来看,除了干燥地带以外,还有因海平面上升,海水流入农业用地造成的沿岸地区的盐害等,所以有必要做好应对大规模且长期性课题的准备。在预想这些情况时,仅凭除盐作业是不够的,所以我认为,从一开始就种植耐盐害品种是一种有效的方法。

  实时掌握土壤盐分浓度变化

  东北大学和村田制作所于2022年6月至2023年3月在联合开展“分析地表根系水稻的耐盐害性要素的实证实验”。

  这个实证实验调查的是什么呢?

  2020年开发出耐盐害的水稻后,我开始想了解水稻根部的伸展方向和深度与土壤盐分浓度之间有着什么样的关联性。所以,这次实证实验就是调查盐分浓度在土壤的地表、中间层以及最深层是如何产生变化的(照片2)。

  土壤的盐分浓度是如何随着时间发生变化的?盐分是如何对根系产生影响的?对于这些问题,我希望能获取新的知识见解。

  在盐害实验农场开展盐分浓度监测实证实验的情形

  也就是说,要想了解盐分浓度在不同深度的土壤中所产生的不同变化,也需要土壤传感器?

  最初我是因为知道了土壤传感器的存在,所以产生了一个想法,这个想法就是包括自然环境的影响在内,或许可以实时监测盐分浓度在不同深度的土壤中所产生的变化和差异。

  2019年左右,我咨询了东北大学(当时)的菅野均志老师,想知道能否更有效地测定出盐害实验农场的水田表面灌水的盐分浓度。这个水田是我所属的东北大学研究生院生命科学研究科附属的淹灌生态系野外实验设施(宫城县大崎市鹿岛台)长年管理的水田。通过这次咨询的契机,我知道了土壤传感器的存在。当时菅野均志老师将传感器的装置借给了我,于是我就使用这个装置对盐分浓度进行了持续监测。

  盐害实验农场的盐分浓度的管理是由农场的工作人员每天采集1次水田表面的水,用盐分浓度计进行测量,并通过加入一般用水等来调整浓度。一天中盐浓度有时会因降雨和气温上升等天气的变化出现很大的波动,但我们当时并无法实时了解其变化的倾向。

  本次实证实验所获得的成果,对于未来也一定具有重大意义。

  我们人类既要进一步加深对自然环境的理解,将灾害的发生控制在最低限度,同时也要一边尽量获取自然的恩惠一边去创造共生的时代。要做到这一点,我认为活用传感器之类的最新设备去收集数据并解析技术将变得至关重要。

  活用传感器

培育耐盐害水稻——土壤传感器为智能农业做出贡献

  解决农业领域问题的尖端技术

  今后在农业领域,您认为以土壤传感器为首的环境传感器会发挥什么样的作用?

  农业的现场与自然环境是共存的,所以要正确评估农业所处的环境并将其可视化,我认为今后继续积极引进此类技术将变得越来越重要。另外,利用各种传感器,不仅对农业的节约人力化和高效化有所帮助,还能增加年轻一代的农业从事者,一定会带来好的影响。所以要进一步确保可持续性的稳定产量,我认为传感器也具有可充分做出贡献的潜力。

  但是,我感觉目前人类还远远没有充分活用设备和数据获取到好的结果。所以我希望能有人开发出可获取有关产量和质量的详细数据的技术,或者增加一些能更加容易操作的技术。另外,我还认为引进设备和维护管理等确保成本和人才也是重大课题。

  在活用传感器方面存在课题吗?

  要活用传感器,我认为前提是要有长年积累的农业经验、知识、技术的基础。在开发这类新技术的同时,如果不能与以往的方法建立联系,也就是不能顺利进行数据融合的话,就有可能造成技术独行。这方面必须考虑到各种问题。

  我觉得与其他产业领域相比,农业的IT化一直发展迟缓的原因是存在一种“从事农业的人不擅长IT”的普遍印象。在这样的情况下,今后要想在农业领域积极推进IT活用,需要采取什么样的措施呢?

  我觉得最好能让农业工作者获得更多轻松接触IT技术的机会。例如,在一定期限内可以免费试用装置的措施等也很有效。我通过老师们的帮助,很幸运地遇到了土壤传感器,在监测时活用传感器,切实感受到了IT技术的益处,所以才有了现在的实证实验。

  今后,如何理解通过传感器等获得的数据?如何使用这些数据去改善农事的流程?要加强对这些数据的活用,我认为首先要在农业工作者的身边增加他们接触IT技术的机会,让他们感受到利用IT技术的益处,这一点非常重要。

  由于工作的场所不同,农业和其他领域的跨领域交流给人一种很困难的印象。作为沟通交流的场所,您认为可以为他们提供什么样的环境呢?

  我认为可以活用各研究领域定期举办的研究集会和学会等,增加不同领域的研究者可以交流的机会。另外环境整备和信息发布等也很关键,通过这些可以将农业现场的需求和IT技术结合起来。我期待每一项技术都能跨越领域界限,发展成新的产业。

  半泽荣子女士是东北大学研究生院生命科学研究科技术专业员。创价大学工学部生物工学系(当时)毕业,信州大学研究生院农学研究科硕士课程结业。2002年起任东北大学研究生院生命科学研究科技术人员,现作为技术专业员从事研究。她在开展有关研究教育活动的技术支持的同时,十多年以来一直在进行与水稻根系形态相关的遗传育种的研究。

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2025-07-07 14:39 reading:170
村田转让微型一次电池业务
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2025-07-07 14:36 reading:164
村田:高功率谐振电路中,MLCC的选择标准和注意事项
  本文介绍适用于汽车OBC、无线电力传输和服务器中的谐振电路的高压低损耗多层陶瓷电容器(MLCC),详细阐述近年来在高功率LC和LLC谐振电路中使用这些电容器的特性和选择标准。  1.高功率电源系统市场趋势  近年来,在高功率电源系统中,谐振电路的应用越来越多。  LLC谐振电路大范围用于100W及以上的高效率电源中,例如EV和PHV(电动汽车和插电式混合动力汽车)的车载OBC、服务器电源和用于大型设备的电源中,采用率预计超过90%。  此外,在无线功率传输(WPT)中,LC谐振电路用于传输和接收大量电力。配备WPT的产品不仅用于智能手机和平板电脑等小型设备,还用于汽车和制造过程中的运输机器人等大型产品中。  高功率电源系统中谐振电路越来越普遍,需要用到容量更大、损耗更低的谐振电容器。  虽然多种类型的谐振电路(如LC和LLC谐振电路)变得越来越普遍,但处理大量功率的谐振电容器(谐振电路中使用的电容器)需要具有10nF或更大的稳定电容和低损耗性能。  过去,薄膜电容器是唯一可用的选择,如今多层陶瓷电容器因其多样化的优点而成为主流。尤其对于需要高功率密度的谐振电路来说,多层陶瓷器是其首选。  这篇技术文章中,我们解释使用多层陶瓷电容作为谐振电容器的好处,并介绍其特性、使用时的注意事项、选择时的考虑因素和村田产品阵容。  2.大功率谐振电路中的谐振电容器  这里,我们分三种情况来讨论。  2.1 高电压谐振电路  在处理高电流的产品(如车载WPT)中使用的谐振电路中,施加到电容器的电压V(p-p)可能非常高,范围从数百伏(p-p)到1万伏(p-p),在某些情况下可达1万伏(p-p)。由于多层陶瓷电容器的额定电压为630Vdc或1000Vdc,因此需要串联电容器以确保在高电压下工作时,使该V(p-p)保持在额定电压范围内。  由于电容器串联时组合电容会减小,因此须通过并联来确保所需的电容。  因此,谐振电容器越来越多地用于多串联和多并联连接,并且需要具有更小安装面积的产品。  2.2高谐振频率的谐振电路  在汽车市场,根据国际标准,汽车WPT的谐振频率固定为85kHz,但用于EV和PHV OBC,谐振频率因制造商而异,范围从60kHz到400kHz。在这些应用中,高频高压被施加到电容器上,容易增加其自热。  因此,谐振电容器需要具有更低的损耗,并抑制长期使用过程中自发热的增加。  2. 3MLCC .vs. 薄膜电容器  与薄膜电容器相比,多层陶瓷电容器具有更高的最高工作温度和更低的发热,因此具有优异的长期可靠性。  此外,对于具有相同电容的产品,它们的特点是体积更小,ESL更低。  由于这些特点,多层陶瓷电容器在大功率谐振电路中被大范围用作谐振电容器。  多层陶瓷电容器的特性  安装面积(体积)小  低发热(低ESR)  低ESL  出色的长期可靠性  最高工作温度高  3. 中高压、低损耗MLCC方案  如上所述,高功率谐振电路(如汽车用WPT和电动汽车和PHV用OBC)需要具有低损耗和不易产生自热的谐振电容器。为了满足对谐振电容器的需求,Murata提供了一系列额定电压为630Vdc和1000Vdc且使用低损耗材料的中高压多层陶瓷电容器。  产品分为两种类型:标准型片式和带金属端子型片式陶瓷电容(见上表)。  金属端子类型可以通过连接金属端子将大型芯片(5750M 尺寸)堆叠成两层,这不仅减少了安装面积,还有助于降低汽车市场中令人担忧的“焊料开裂”风险。由于电容器串联时组合电容会减小,因此须通过并联来确保所需的电容。  内置谐振电路的车载OBC、服务器电源和大型设施电源等大型产品由于使用时间长,因此需要电容器的长期可靠性。对于这些多层陶瓷电容器,在连续使用的情况下,目标寿命为10年。  4. 选择谐振电容器要注意什么?  包括上述介绍的产品在内,在选择谐振电路中使用的电容器(谐振电容器)时,需要注意一些事项。在大功率应用中,谐振电容器的选择不正确可能导致设备冒烟或起火。这也适用于多层陶瓷电容器,它们具备低发热量和长期可靠性;因此,必须在充分考虑其特性后进行选择。  我们将解释两个我们认为特别重要的项目:“电容器的自加热”和“电压偏离曲线”。  4.1自热限制  在高功率应用中使用的谐振电容器在施加电压后立即产生初始热量后,自发热增加。即使在多层陶瓷电容器中,自发热的增加也是不可避免的,但在目标使用寿命(例如10年)内,应避免电压和频率条件超过125°C的最高工作温度(下图)。  电容器表面温度的变化  Murata的多层陶瓷电容器将允许电压Vdc定义为电容器表面温度在其目标寿命期间达到最高工作温度125°C的电压。在选择电容器时,施加的电压V(p-p)必须保持在该允许电压内。  对于每个项目,我们设置了根据频率显示允许电压的“电压偏离曲线”(见下图),并在网站上的产品规格和规格表中提供了详细说明。  基于自加热评估的允许电压曲线设置  4.1 允许电压的限制  这里是我们对允许电压和频率之间关系的看法。上图所示的“电压折损曲线”概括了为每个项目设置的允许电压图,根据频率范围可分为三个区域。  区域1:  频率范围―低于几十kHz:受额定电压限制。  由于几个10kHz或更低的低频,电容器的自加热是最小的,额定电压成为允许电压。然而,为中、高压低损耗设计的多层陶瓷电容器在该低频范围内作为谐振电容器使用的情况很少见。  区域2:  频率范围―几十kHz到几百kHz:由于连续温度升高受到限制。  施加电压后的立即自热在ΔT20度以内,但由于施加几十kHz~几百kHz的高电压,该区域的自热增加。无论是低损耗还是高介电常数片式电容器,我们都要求工作条件确保电容器的自加热保持在20度ΔT内。  在该区域,允许电压定义为电容器表面温度达到最高工作温度125°C之前的目标寿命(在这里介绍的产品中,目标寿命为10年)的电压。使用中高压、低损耗多层陶瓷电容器作为谐振电容器的情况大多属于这一区域。  区域3:  频率范围―几百kHz或更高:由于施加电压后立即产生初始热量而受到限制。  当频率进一步增加时,施加电压后电容器的自发热会立即超过ΔT20度。如前所述,我们要求,无论低损耗或高介电常数贴片电容器,工作条件都应确保电容器的自加热保持在ΔT20度以内。即使在中、高压低损耗多层陶瓷电容器中,允许电压定义也是自加热达到20度ΔT的电压。因此,应选择温度低于此阈值的产品。  5.谐振电路MLCC选型工具  如上所述,选择谐振电容器需要考虑多种特性,这增加了元件选择的难度。这可能是使快速增长领域的技术进步复杂化的一个因素,例如汽车OBC、服务器电源和大型设备电源。特别需要强调以下两点:  由于施加的电压有升高的趋势,经常会使用多个串联和并联连接,因此需要计算等效电容。  有必要将单个电容器的施加电压V(p-p)保持在“额定电压”以下。  村田制作所开发了一款名为“SimSurfing”的工具,该工具支持根据客户的使用环境选择最佳谐振电容器。只需输入谐振电容器的工作电压、温度和所需静电容量,该工具就能显示最佳产品以及推荐的串联和并联连接数。该工具有助于减轻客户在零件选择和设计过程中的负担。
2025-07-02 15:57 reading:253
村田首款10µF/50V/0805英寸车规级MLCC正式量产
  株式会社村田制作所(以下简称“村田”)宣布,已开发并开始量产面向车载市场的首款(1)0805英寸(2.0×1.25mm)尺寸、额定电压50Vdc、电容值10µF的多层片式陶瓷电容器(MLCC),产品型号为GCM21BE71H106KE02。  注:(1)数据由村田统计,截至2025年6月25日。  随着自动驾驶技术不断进步,车载系统数量日益增加,对高性能与小型化元件的需求也显著提升。为保障自动驾驶(AD)和高级驾驶辅助系统(ADAS)等关键模块的稳定运行,IC周边对大容量电容器的需求持续上升,进而加剧了电路板空间的紧张。  为应对这一挑战,村田运用其自主开发的陶瓷材料与薄膜技术,开发出本款车规级新产品。相比村田传统10µF/50Vdc/1206尺寸MLCC,该产品在保持相同性能的同时,将尺寸缩小至0805,占板面积减少约53%,有效实现小型化。与此同时,相比同为0805尺寸、50Vdc额定电压、电容值为4.7µF的传统产品,该产品的电容值提升约2.1倍,实现了大容量化。  此外,该产品适用于12V车载标准电源线路,有助于节省电路板空间并减少电容器数量。  村田将持续推进MLCC的小型化与大容量化,丰富车用产品阵容,满足未来汽车电子在高性能化与多功能化方面的需求。同时,村田也将通过元件尺寸微型化、材料用量减少及提升单位产出效率、降低工厂用电等手段,推动节能减排、降低碳足迹,积极履行环保责任。  主要特点  1. 村田首款实现0805英寸尺寸下10µF/50Vdc的车规级多层片式陶瓷电容器(MLCC)产品  2. 与同容值、同额定电压的传统产品相比,占板面积减少了约53%  3. 与同尺寸、同额定电压的传统产品相比,电容值提升约2.1倍  4. 可安装于12V车载标准电源线,助力电路板空间优化和电容器数量精简  主要规格
2025-06-30 15:33 reading:234
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