دانشمندان دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی (NC) گزارش دادند که یک وصله الکترونیکی ایجاد کرده‌اند که می‌تواند روی برگ‌های گیاهان اعمال شود تا محصولات را از نظر پاتوژن‌های مختلف – مانند عفونت‌های ویروسی و قارچی – و استرس‌هایی مانند خشکی یا شوری کنترل کند. در آزمایش، محققان دریافتند که این پچ قادر است عفونت ویروسی را در گوجه فرنگی بیش از یک هفته قبل از اینکه پرورش دهندگان قادر به تشخیص علائم مرئی بیماری باشند، تشخیص دهد.
دکتر چینگشان وی، استادیار مهندسی شیمی و بیومولکولی در دانشگاه کینگشان وی، گفت: «این مهم است زیرا هر چه تولیدکنندگان زودتر بتوانند بیماری‌های گیاهی یا عفونت‌های قارچی را شناسایی کنند، بهتر می‌توانند گسترش بیماری را محدود کنند و محصول خود را حفظ کنند. ایالت NC و نویسنده مربوطه مقاله “سنسور پوشیدنی چندوجهی نصب شده روی سطح برگ محوری برای پایش مداوم فیزیولوژی گیاه” در پیشرفت علم. علاوه بر این، هر چه تولیدکنندگان سریع‌تر بتوانند تنش‌های غیرزیستی، مانند آب آبیاری آلوده به نفوذ آب شور را شناسایی کنند، بهتر می‌توانند به چالش‌های مربوطه رسیدگی کنند و عملکرد محصول را بهبود بخشند.»
پتانسیل عظیم برای کشاورزی هوشمند
حسگرهای گیاهان پوشیدنی پتانسیل فوق العاده ای برای کشاورزی هوشمند دارند. ما یک حسگر پوشیدنی چندوجهی متصل به سطح برگ پایین را برای نظارت مستمر فیزیولوژی گیاه با ردیابی سیگنال‌های بیوشیمیایی و بیوفیزیکی گیاه و ریزمحیط آن گزارش می‌کنیم. محققان می نویسند: حسگرهایی برای تشخیص ترکیبات آلی فرار (VOCs)، دما و رطوبت در یک پلت فرم واحد ادغام شده اند.
“موقعیت اتصال برگ محوری بر اساس تراکم روزنه ها برای بهبود قدرت سیگنال سنسور انتخاب می شود. این پلت فرم همه کاره برنامه های مختلف نظارت بر استرس را از ردیابی هدررفت آب گیاه تا تشخیص زودهنگام پاتوژن های گیاهی را قادر می سازد. یک مدل یادگیری ماشین نیز برای تجزیه و تحلیل داده‌های حسگر چند کانالی برای تشخیص کمی ویروس پژمردگی خالدار گوجه‌فرنگی در اوایل چهار روز پس از تلقیح ایجاد شد. این مدل همچنین ترکیب‌های حسگرهای مختلف را برای تشخیص زودهنگام بیماری ارزیابی می‌کند و پیش‌بینی می‌کند که حداقل سه حسگر از جمله حسگرهای VOC مورد نیاز است.
این فناوری بر روی یک پچ نمونه اولیه ساخته شده است که بیماری گیاهی را با نظارت بر VOC های منتشر شده از گیاهان شناسایی می کرد. گیاهان در شرایط مختلف ترکیبات مختلفی از VOC را منتشر می کنند. با هدف قرار دادن VOC هایی که مربوط به بیماری های خاص یا استرس گیاهی هستند، حسگرها می توانند کاربران را از مشکلات خاص آگاه کنند.
یونگ ژو، PhD، نویسنده همکار مقاله و اندرو ا. آدامز استاد ممتاز مهندسی مکانیک و هوافضا در ایالت NC.
تکه ها کوچک هستند
خود تکه‌ها کوچک هستند – فقط 30 میلی‌متر طول دارند – و از یک ماده انعطاف‌پذیر حاوی حسگرها و الکترودهای مبتنی بر نانوسیم نقره تشکیل شده‌اند. تکه‌ها در قسمت زیرین برگ‌ها قرار می‌گیرند که دارای تراکم روزنه‌ای بالاتری هستند (منافذی که به گیاه اجازه می‌دهد با تبادل گاز با محیط، «نفس» کند.
محققان این تکه‌های جدید را روی گیاهان گوجه‌فرنگی در گلخانه‌ها آزمایش کردند و با تکه‌هایی که ترکیب‌های مختلفی از حسگرها را در خود جای داده بودند، آزمایش کردند. گیاهان گوجه فرنگی با سه پاتوژن مختلف آلوده شدند: ویروس پژمردگی خالدار گوجه فرنگی (TSWV). سوختگی زودرس که یک عفونت قارچی است. و بلایت دیررس که نوعی پاتوژن به نام اوومیست است. گیاهان همچنین در معرض انواع تنش‌های غیر زنده مانند آبیاری بیش از حد، شرایط خشکی، کمبود نور و غلظت بالای نمک در آب قرار گرفتند.
محققان داده‌های این آزمایش‌ها را گرفتند و آنها را به یک برنامه هوش مصنوعی متصل کردند تا تعیین کنند کدام ترکیبی از حسگرها برای شناسایی بیماری‌ها و استرس غیر زنده مؤثرتر عمل می‌کنند.
وی خاطرنشان می‌کند: «نتایج ما برای شناسایی همه این چالش‌ها در سراسر جهان امیدوارکننده بود. به عنوان مثال، ما متوجه شدیم که با استفاده از ترکیبی از سه حسگر روی یک پچ، توانستیم TSWV را چهار روز پس از اولین آلوده شدن گیاهان شناسایی کنیم. این یک مزیت قابل توجه است زیرا گوجه فرنگی به طور معمول علائم فیزیکی TSWV را برای 10-14 روز نشان نمی دهد.
محققان می گویند که آنها دو قدم با داشتن تکه ای که تولیدکنندگان می توانند از آن استفاده کنند فاصله دارند. اول، آنها باید وصله‌ها را بی‌سیم بسازند، و باید وصله‌ها را در مزرعه، خارج از گلخانه‌ها آزمایش کنند تا مطمئن شوند که وصله‌ها در شرایط واقعی کار می‌کنند.
ژو می‌گوید: «در حال حاضر به دنبال شرکای صنعت و کشاورزی هستیم تا به ما در پیشرفت و آزمایش این فناوری کمک کنند. این می‌تواند پیشرفت قابل‌توجهی برای کمک به تولیدکنندگان باشد تا از بزرگ شدن مشکلات کوچک جلوگیری کنند و به ما کمک کند تا چالش‌های امنیت غذایی را به شیوه‌ای معنادار حل کنیم.»