南京大学朱嘉课题组Nat.Commun.|利用机器学习加速用于植物光合作用的冷室薄膜光学设计

第一作者：李金磊、蒋毅、李博、徐亦豪

通讯作者：朱嘉、朱斌、李炜、刘咏民

通讯单位：南京大学、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、美国东北大学

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-54983-8

导读

近日，南京大学朱嘉组提出了一种利用机器学习加速光学结构设计的冷室薄膜用于植物光合作用，在Nature Communications 在线发表题为“Accelerated photonic design of coolhouse film for photosynthesis via machine learning”的研究论文。文中利用遗传算法和机器学习协同工作，提出了一种冷室薄膜，可以选择性透过0.4-0.5μm及0.6-0.7μm波段的光满足植物正常的光合作用，并反射其他波段的能量从而减少薄膜下方的热负荷和蒸散作用，其光学性质也表现出弱的角度依赖性。在实际测试中，该薄膜可比其他对照组多降温5-17℃，减少50%的水分散失，使生物量产量和存活率增加一倍以上，提高作物的耐热性和抗旱性。机器学习和光子学的集成为设计以可持续性为目标的结构及器件提供了强大的工具。

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研究背景

随着全球变暖和水危机的加剧，为植物创造一个适宜的生长环境满足光学作用效率非常重要。温室通常能够创造温暖湿润的环境，在寒冷气候下已得到很好的应用，但在炎热和水资源匮乏的地区却不能得到普及，因为其耗费大量的能源和水资源。近年来辐射制冷技术为实现无水无电的被动制冷提供了一条可行路径，但它需要反射所有太阳光，与光合作用的特定光要求不兼容。因此，设计一种无能源消耗、可以选择性地透过光合作用有效光同时反射多余热量的冷室薄膜来为植物正常生长提供一个适宜光照、温度和水分的条件，是必要且具有前景的。

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核心内容解读

1. 冷室薄膜的原理和设计

要点快读：

为了在高温缺水地区建立一个光照、温度、水分适宜植物生长的冷室，首先需要分析植物与周围环境之间的能量和水分平衡。如图1a左所示，能量流主要包括蒸发、对流、辐射、传导和土壤蓄热，均随入射阳光的变化而变化。其中，只有一小部分阳光被用于植物光合作用（图1b、c），因此有机会在不影响光合作用下减少多余的阳光输入，从而降低植物温度、减少水分散失（图1a右）。具体来说，冷室薄膜的光学设计应选择性地透射太阳光（400-500nm和600-700nm，占太阳光能量的28%）用于植物光合作用，并反射其余波段的光（280-400nm、500-600nm和700-2500nm，占太阳光能量的72%）（图1d）。为了得到具备上述光学性能的结构，我们将遗传算法和机器学习（串联神经网络）以协同的方式结合起来，用于加速具备所需光谱特征、而且易于制备和弱角度依赖性的光子设计（图1e）。首先，用于创建多层设计的遗传算法已经通过各种材料选择和序列进行了预先优化。这些初始设计，包括材料的选择和每层的厚度，作为神经网络训练的输入数据集，然后用于设计的额外优化。因此，混合模型提供了上百种可能的结构设计，在与理想光谱的误差、角度依赖性和制备难度性三个维度的考量下，图1f中红色圆圈所突出的结构是最适合实现冷室薄膜的设计。

图1 冷室薄膜的原理和设计

2.冷室薄膜的表征

要点快读：

图1f中红色圆圈代表的具体结构如图2a所示，TiO2/ MgF2/TiO2/Ag/MgF2/TiO2的六层结构通过电子束蒸镀制备，其扫描电子显微镜（SEM）拍摄的截面厚度图如图2b所示。该冷室薄膜可以反射黄绿光（500-600nm），透过蓝光（400-500nm）和红光（600-700nm）因此在图中显示叠加色紫色（图2c）。实验测量的透射光谱进一步证实该现象，这也与理想光谱趋势一致（图2d）。通过变角度的反射光谱可以发现，在入射角-50°到50°之间，两个反射谷的位置几乎没有变化（图2e），表明冷室薄膜的光谱具有弱的角度依赖性，这对于适应实际应用中太阳角度变化现象非常重要。在该光谱下，该冷室薄膜可以透过268W m-2的阳光，其中185 W m-2用于植物光合作用，同时反射659W m-2的阳光（图2f）。该结构还可以通过大型商业设备在柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯基材上生产米级冷室薄膜（图2g）。

图2 冷室薄膜的表征

3.室内性能验证

要点快读：

文中通过冷室薄膜与UV-NIR滤光片（UV和NIR成分被反射/吸收）及典型的PE温室薄膜对比研究其制冷效果。三者的透射光谱如图3a所示。基于光谱分析的透射能量流表示，在400-500nm和600-700nm光合作用有效波段，三个对照组透射能量相似，而在其他波段三者差异很大（图3b），说明UV-NIR滤光片和PE薄膜会透过光合作用以外的额外热量，加剧植物的过热和水分流失。为了进一步证明冷室薄膜对植物的制冷和保水能力，图3c设计了相应装置测试空气及土壤温度，以及土壤中的水分蒸发速率。如图3d、e所示，在变化的入射光能量下，冷室薄膜始终维持最低的温度，空气和土壤温度能比UV-NIR滤光片和PE薄膜降低10-15℃。而由于温度的降低，冷室薄膜下方的土壤蒸发速率也明显减缓，比没有任何材料覆盖的开发环境减少了近两倍（图3f）。因此，冷室薄膜在制冷和节水方面都性能优异。

图3 室内性能验证

4.制冷性能对植物生长的室外实际测试

要点快读：

为验证冷室薄膜的制冷性能对植物生长的具体影响，文中在江苏南京和内蒙古乌兰布和沙漠进行了实际种植实验（图4a）。在南京测试中，图4b的温度说明冷室薄膜可以比UV-NIR滤光片及PE薄膜有更低5-10℃的降温效果。在此基础上，通过拟南芥在不同对照组薄膜下方的生长实验，发现UV-NIR滤光片及PE薄膜下方的植物因过热而死亡，而未覆盖材料的对照组在开放体系下也因水分流失过快而枯萎，但冷室薄膜下方的拟南芥生长状况良好。从图4d的鲜重测试结果也证明冷室薄膜下方的植物可获得最高的生物质产量。在乌兰布和沙漠的测试中，冷室薄膜下方依然维持最低的温度（图4e），而天人菊的种植实验结果也与拟南芥趋势相似（图4f），再次证明了冷室薄膜优异的降温性能所带来对植物的有利影响。除了降温性能，图4f进一步展示了在自然风作用下土壤水分流失的实验结果，冷室薄膜可降低50%的水分损失。因此综合制冷及节水的功能，冷室薄膜对植物正常生长是非常有效的。

图4 制冷性能对植物生长的室外实际测试

5.热季作物种植应用

要点快读：

由于冷室薄膜出色的制冷和节水能力，其在炎热季节为温室种植提供了巨大的潜力。通过在温室中放置了四个样品室（冷室薄膜、UV-NIR滤光片、PE薄膜、未有覆盖材料的对照组），通过种植生菜、辣椒和茄子以评估其在植物生长方面的影响（图5a）。图5b展示了生菜的生长光学照片，冷室薄膜下方的生长情况最佳。同时PSⅡ光化学最大效率冷室薄膜下方植物可达到最高，说明受到的生长胁迫最小（图5c）。因此与其他对照组相比，冷室薄膜下方生菜的干鲜重产量都增加了一倍以上（图5d）。除叶类蔬菜，冷室薄膜对果实类作物同样有效，能使辣椒成功开花结果（图5e）。冷室薄膜下方辣椒所表现出的PSⅡ光化学最大效率同样最高（图5f），其果实和生物量产量也是最好的（图5g、h）。同时，文中也对茄子进行了实验，其趋势与辣椒非常一致（图5i）。这些结果都验证了冷室薄膜对提高高温干旱环境下作物耐受性具备很大的潜力。

图5 热季作物种植应用

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结论与展望

总之，该研究协同利用遗传算法和机器学习，提出了一种可规模性的冷室薄膜，可以选择性地透过光合作用有效光并反射其他带来额外热效应的光，同时具有弱的角度依赖性。在室内实验和实际户外测试中，该冷室薄膜都能在阳光、温度、水分等方面为光合作用提供理想的局部环境。室外和温室内的植物栽培进一步证明该薄膜可以显著提高植物对高温及干旱条件的抵抗力。该冷室薄膜为干旱地区植物生长提供了一种有希望的方案，机器学习的方法也为后续更精确的光子结构及器件提供了有利工具。

重要参考文献：

[1] Raman, A. P. et al. Passive radiative cooling below ambient air temperature under direct sunlight. Nature 515, 540-544 (2014).

[2] Fan, S. et al. Photonics and thermodynamics concepts in radiative cooling. Nat. Photonics 16, 182-190 (2022).

文章信息

Li, J. et al. Accelerated photonic design of coolhouse film for photosynthesis via machine learning. Nat. Commun., 16, 1396 (2025).

DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-024-54983-8

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