Фото: із відкритих джерел
У дослідженні описано систему з двох мінісенсорів — «татуювання» на листку та еластичної стрічки на стеблі — яка відстежує водний режим і ріст рослини ще до появи видимих симптомів.
Про це повідомляє сайт Аграрії разом з посиланням на Hortidaily.
Коли фермер бачить скручування листя чи пригнічення росту, рослина могла перебувати під стресом уже кілька днів. У нещодавньому дослідженні науковці представили концепцію «носими» сенсорів для рослин, які мають фіксувати такі сигнали раніше — на рівні реакції самої рослини, а не лише умов довкілля чи наслідків пошкодження.
Система складається з двох елементів: тонкого «татуювання»-сенсора, що прилипає до поверхні листка, та розтяжної стрічки, яка обгортає стебло. Разом вони відстежують два ключові показники: температуру й вологість під поверхнею листка (через показник VPD) та те, чи продовжує стебло рости.
Окрема особливість рішення — робота без зовнішнього акумулятора: живлення отримують завдяки волозі, що випаровується з рослини.
Як пояснюють автори, супутники й дрони дають «вид зверху» (видимі, інфрачервоні та мікрохвильові дані для картування «зеленості», нерівномірності росту, температури, пошкоджень шкідниками, вологості ґрунту тощо), ґрунтові датчики — вологість, температуру, pH і частину поживних елементів, а метеостанції — параметри повітря. Водночас листковий сенсор у цій системі задуманий як «раннє попередження», що показує реакцію рослини «тут і зараз», ще до появи видимих ознак.
«Листковий сенсор — це радше система раннього попередження, яка показує, як рослина реагує в моменті, до того, як з’являться видимі ознаки», — зазначила Нафізе Хоссейн, аспірантка, яка очолювала дослідження в лабораторії Саміра Сонкусале.
Технічні характеристики та параметри
- Що вимірює листковий сенсор: показник vapor pressure deficit (VPD) — «дефіцит тиску водяної пари», який описує, наскільки повітря схильне «витягувати» воду з рослини. За високого VPD повітря сухіше, і рослина може закривати продихи, зменшуючи втрати води, але водночас уповільнюючи фотосинтез і ріст.
- Матеріали та принцип роботи листкового сенсора: використано кристали пентаоксиду ванадію, розділені на надтонкі «нанолисти» (nanosheets), складені шарами у мембрану. Додатковий шар графену працює як «сито», пропускаючи вологу від рослини до нанолистів. Коли волога потрапляє в структуру, вода утворює іони, які рухаються між шарами та створюють струм — таким чином елемент одночасно є і сенсором, і джерелом живлення. Рівень струму прямо пропорційний інтенсивності обміну вологою з повітрям.
- Потужність: мікровати; за даними дослідження, цього достатньо разом із низькопотужною електронікою та накопиченням енергії для періодичних вимірювань.
- Стебловий сенсор: виконаний за принципами кіріґамі (керовані розрізи для розтягування та деформації). Покриття — eutectogel, м’який іонопровідний гель, який змінює електричний опір, коли стебло розширюється або стискається. За нормального росту діаметр стебла зазвичай збільшується; під стресом ріст може сповільнюватися або стебло може навіть «усихати» (зменшувати діаметр).
- Стійкість до польових умов: листковий сенсор розрахований на згинання й розтягування; кіріґамі-візерунок на стебловому сенсорі допомагає розподіляти навантаження та зменшувати вплив різких збурень, зокрема сильного вітру.
- Зв’язок: команда працює над бездротовою платформою з використанням стандартів LoRa (long range) або Bluetooth.
Що показали випробування на перці
У тестах на рослинах солодкого перцю система відрізняла здорові рослини від тих, що зазнавали дефіциту води та сольового стресу. Для здорових рослин фіксували ритмічні зміни VPD у часі, що відповідали нормальним добовим циклам вологості повітря.
За водного стресу спостерігали зростаючий тренд VPD. За сольового стресу — інший патерн: знижений VPD порівняно з контролем, що в дослідженні пов’язують із зміненим водопоглинанням і поведінкою продихів. Паралельно стебловий сенсор відстежував ріст у здорових рослин і зменшення або слабший приріст діаметра — у стресованих.
Потенційне застосування в агровиробництві
За задумом авторів, такі «рослинні wearables» можуть доповнити супутниковий і дроновий моніторинг та ґрунтові датчики, даючи сигнал не лише про умови, а й про безпосередню фізіологічну відповідь рослини. У перспективі сенсори також можна розширити для відстеження інших індикаторів здоров’я — зокрема рівнів поживних елементів і рослинних гормонів, які є ранніми сигналами росту кореня, листка, стебла й плоду, а також реакції на патогени.
«Більша обіцянка не лише в тому, що одна рослина може носити один сенсор. Йдеться про те, що поля одного дня можуть містити мережі моніторів на рівні рослин, кожен з яких повідомлятиме про ранні ознаки спраги, сольового стресу, хвороб або дисбалансу поживних речовин», — сказав Самір Сонкусале, професор електротехніки та комп’ютерної інженерії Університету Тафтса і старший дослідник проєкту.
Джерело інформації — матеріал Університету Тафтса, який переказує результати дослідження.