Ультратонкие сенсоры для растений помогут в устойчивом земледелии

Метод создания сверхтонких сенсоров для мониторинга состояния сельскохозяйственных культур может помочь фермерам увеличить производство пищи без дополнительной нагрузки на землю.

Интенсивное сельское хозяйство уже способствует потере биоразнообразия и изменению климата, а растущее население продолжает увеличивать давление на фермеров. Задача — повысить урожайность без расчистки новых земель или чрезмерного использования удобрений. Точное земледелие — перспективное решение, предполагающее мониторинг потребностей растений в реальном времени и точечное реагирование.

"Точное земледелие обычно полагается на почвенные датчики или дроны со специальными камерами, — говорит аспирант Абдулла Букхамсин, — но они не могут уловить изменения в растении достаточно рано для вмешательства". Известно, что измерение биоимпеданса (сопротивления органических тканей электрическому току) может выявить физиологическую информацию: содержание азота и воды, наличие грибковых инфекций или металлических загрязнителей.

Однако у растений есть толстый внешний слой, блокирующий электрические сигналы. Датчики биоимпеданса должны пронзить поверхность, не влияя на измеряемые свойства. Создание достаточно крошечных и тонких инструментов для этой задачи оставалось сложным.

Команда исследователей KAUST под руководством Халеда Саламы разработала эффективный метод создания силиконовых форм для производства таких ультратонких микроигл. Эти хрупкие иглы можно извлечь неповрежденными, погрузив форму в трихлорметан. "Набухание заставляет форму слегка расширяться, мягко выталкивая структуру", — объясняет Букхамсин.

Многоразовые формы могут обеспечить рентабельное массовое производство микроигл из различных полимеров, безопасных для растений. При тестировании на листе Arabidopsis thaliana прокол затянулся за четыре дня, не нанеся вреда растению.

"В наших тестах измерения импеданса тесно коррелировали с уровнем освещённости и обезвоживанием растения, — говорит Букхамсин. — Эти данные можно использовать вместе с технологиями затенения и системами орошения, реагирующими на реальные потребности культур, избегая переполива". Неожиданно эта зависимость оказалась почти идентичной для других культур, включая финиковую пальму и ячмень. "Это многообещающе и подчёркивает универсальность подхода".

"Далее мы исследуем, какие другие факторы среды влияют на импеданс растений, — говорит Салама, — и как с помощью электрохимических измерений можно количественно определять уровень гормонов у разных видов растений". Такие детальные данные могут лечь в основу ещё более тонко настроенного точного земледелия в будущем.