优化电极拓扑结构以实现静电授粉：一种用于可持续农业的有限元仿真方法

《Agricultural Research》：Optimization of Electrode Topology for Electrostatic Pollination: A Finite Element Simulation Approach for Sustainable Agriculture

静电场对人工授粉技术的影响及电极拓扑优化研究。通过ANSYS Maxwell 2024 R1.1对环形、球体、圆柱形、圆锥形电极的有限元分析，发现环形和圆柱形电极产生均匀高强电场（1.01×10^6和5.33×10^6 V/m），圆锥形电极易形成局部高强度区（1.07×10^6 V/m）引发电晕放电，球形电极对称电场分布。电极电压提升和距离缩短均增强电场强度。该研究揭示了电极形态对静电应用的调控作用，为人工授粉、微滴控制及粒子收集提供理论依据，对可持续发展和粮食安全具有现实意义。

　　

摘要

静电力对自然授粉过程有着显著的影响，这种影响可以潜在地应用于人工授粉技术。在静电授粉器中，高压静电电极的配置会显著影响电场强度及其分布模式，从而引发花粉的脱落过程。本研究利用ANSYS Maxwell 2024 R1.1软件通过有限元分析，探讨了不同形状电极（环形、球形、圆柱形和圆锥形）对电场生成和分布的影响。论文还评估了电极电压以及电极与花粉之间的距离对电场的影响。仿真结果表明，随着电极电压的升高，电场强度会增强，且这种增强效果与电极的形状和排列方式密切相关。环形和圆柱形电极产生的电场较为均匀，最大强度分别为1.01×10^6 V·m^-1和5.33×10^6 V·m^-1。相比之下，圆锥形电极会产生局部高强电场区域（E_max为1.07×10^6 V·m^-1），这可能导致电晕放电现象。此外，球形电极由于表面电荷分布均匀，产生的电场是对称的。减少电极与花粉之间的距离会使电场强度增强。环形电极能够产生相对均匀且强度较高的电场，适用于大面积静电授粉；而球形电极产生的电场强度较低但更为集中，更适合特定应用。这些发现强调了电极拓扑结构在增强静电应用（如人工授粉、可控液滴输送和颗粒收集）中的关键作用，对环境可持续性和全球粮食安全具有重要的意义。