Ученые создали «умные» носимые датчики для растений

Исследователи из Университета Тафтса разработали систему миниатюрных «носимых» датчиков, способных в режиме реального времени отслеживать состояние растений и предупреждать о начале стресса задолго до появления внешних признаков увядания. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.

Разработка включает два типа датчиков. Первый представляет собой тонкую гибкую пленку, напоминающую временную татуировку, которая крепится непосредственно на поверхность листа и измеряет температуру, влажность и интенсивность испарения влаги. Второй выполнен в виде эластичной ленты, охватывающей стебель растения и отслеживающей изменения его диаметра, связанные с ростом или развитием стрессового состояния.

Главной особенностью системы стало отсутствие традиционного источника питания. Электроэнергия для работы датчиков вырабатывается за счет самого растения. При испарении влаги с поверхности листьев возникают микротоки, которых достаточно для питания маломощной электроники и проведения регулярных измерений.

По словам руководителя проекта, профессора электротехники и вычислительной техники Тафтского университета Самира Сонкусале, подобные устройства в перспективе смогут объединяться в сети и непрерывно контролировать состояние отдельных растений непосредственно в поле.

Современные методы мониторинга сельскохозяйственных культур — спутниковая съемка, беспилотники, почвенные датчики и метеостанции — позволяют оценивать внешние условия выращивания или уже проявившиеся последствия стресса. Новая технология фиксирует реакцию самого растения на ранней стадии, когда изменения еще невозможно заметить визуально.

Одним из ключевых показателей, который определяют датчики, является дефицит давления водяного пара (VPD) — параметр, отражающий интенсивность потери влаги растением. При высоком значении VPD воздух активнее вытягивает воду из листьев, в ответ на что растения закрывают устьица, снижая испарение. Однако одновременно замедляются фотосинтез и рост.

В ходе испытаний на растениях сладкого перца исследователи сравнили развитие здоровых растений, растений с недостатком влаги и растений, испытывавших солевой стресс. Датчики смогли надежно различать эти состояния. У здоровых растений показатели изменялись в соответствии с естественным суточным циклом, тогда как у испытывавших стресс фиксировались характерные отклонения как в испарении влаги, так и в динамике роста стебля.

Авторы отмечают, что технология может быть расширена для контроля содержания питательных веществ, растительных гормонов и других биохимических показателей, позволяющих еще раньше выявлять болезни, дефицит элементов питания или воздействие неблагоприятных факторов окружающей среды.

Конструкция датчиков специально разработана для работы в полевых условиях. Гибкие материалы позволяют устройствам изгибаться вместе с листьями и стеблями, выдерживая ветер и другие механические нагрузки без повреждений.

Следующим этапом проекта станет создание беспроводной системы передачи данных с использованием технологий LoRa и Bluetooth, что позволит объединять множество датчиков в единую сеть мониторинга сельскохозяйственных культур.

По мнению разработчиков, такие системы смогут значительно повысить эффективность точного земледелия, сократить расход воды и удобрений, а также помочь аграриям быстрее реагировать на засуху, засоление почв и другие стрессовые факторы.