Precíziós érzékelők: innovatív jövő a mezőgazdaság számára
2024.10.18. 6:31:00
H'Rina DeTroy
A North Carolina Plant Sciences Initiative keretében az NC állam kutatói az érzékelőtechnológiát fejlesztik, hogy segítsenek a gazdálkodóknak szembenézni az olyan kihívásokkal, mint a feltörekvő növényi betegségek és az éghajlatváltozás.
2022 nyarán az észak-karolinai termelők attól tartottak, hogy a Tomato Spotted Wilt Virus (TSWV) új változatát találták. A tripsznek nevezett rovarok által terjesztett és a meglévő kezelésekkel szemben ellenálló TSWV-t nehéz megszüntetni, és tönkreteheti az egész termést. A növénybetegségek közül az egyik legszélesebb körével a paprikát, a dohányt, a burgonyát, a padlizsánt, a tököt, a salátát, a hagymát, a spenótot és a fűszernövényeket, például a borsmentát is megfertőzi.
Az olyan kórokozók által okozott betegségek, mint a TSWV, csak egy a sok kihívás közül, amelyekkel a mai gazdálkodók szembesülnek, miközben olyan iparágban mozognak, ahol kevés a hibalehetőség. A növényeknek időre és ideális körülményekre van szükségük, hogy elérjék a betakarítás csúcspontját. A TSWV fertőzés túl későn történő felfedezése költséges, ami nemcsak a termesztőket kockáztatja, hanem a befektetett erőforrások és munkaerő költségeit is. A költségek megtérülése még a következő évi betakarításig is nehéz lehet.
Minél korábban tudják a termelők azonosítani a növénybetegségeket vagy gombás fertőzéseket, annál jobban tudják korlátozni a betegség terjedését és megőrizni termésüket.
Ezek a kemény esélyek az egyik oka annak, hogy az NC államban székelő North Carolina Plant Sciences Initiative (NC PSI) olyan eszközöket fejleszt ki, amelyek segítenek megoldani egy általános rejtvényt: ha a termelőknek módjuk lenne hamarabb észlelni a problémát, beavatkozhatnának, mielőtt az elterjedne. .
Az NC PSI kutatói fejlett szenzortechnológiát fejlesztenek a korai felismerés elősegítése érdekében. Ezek az intelligens érzékelők még a látható jelek megjelenése előtt észlelik a betegségeket, pontosabban mérik a növények egészségét, és figyelmeztetnek a káros terméskörülményekre – ezzel időt és költséges erőforrásokat takarítanak meg a termelők.
Az intelligens technológia használata az erőforrások kímélése érdekében az NC PSI tágabb stratégiája és víziója szempontjából is alapvető fontosságú a rugalmas és fenntartható mezőgazdasági jövőről.
Szenzortechnika: Műszaki tervezés növénytudományhoz
A WolfSens hordható tapaszok érzékelői figyelik a hőmérsékletet, a környezet páratartalmát és a növény levelei által „kilélegzett” illékony szerves vegyületeket.
A WolfSens , egy folyamatban lévő NC PSI kutatási projekt, két olyan érzékelőt fejlesztett ki, amelyek segíthetnek a termelőknek olyan kihívásokkal szembesülni, mint a TSWV és hasonló kórokozók kórokozó-szerű hatásai.
"Minél korábban tudják a termelők azonosítani a növényi betegségeket vagy gombás fertőzéseket, annál jobban tudják korlátozni a betegség terjedését és megőrizni a termésüket" - mondja Qingshan Wei, a kémiai és biomolekuláris mérnöki professzor és az interdiszciplináris WolfSens kutatócsoport vezetője. .
Egy óda az NC State kabalájához, a WolfSens a „viselhető szagérzékelés” rövidítése is. Ez a két fejlett érzékelő figyelmeztetheti a termelőket a betegségek jelenlétére azáltal, hogy észleli – vagy „szagolja” – a növények által természetesen kibocsátott gázokat, amelyeket illékony szerves vegyületeknek vagy VOC-knak neveznek. A gazdálkodók a növény által kibocsátott illékony szerves vegyületek típusának és koncentrációjának mérésével meghatározhatják, hogy egy növény melyik betegségben szenved.
Wei és a WolfSens kutatócsoportja egy hordható elektronikus tapaszt épített , amely folyamatos, valós idejű észlelést biztosít a növény egészségéről. A levél alsó oldalához rögzítve a foltok képesek kimutatni a vírusos és gombás fertőzések VOC-jait. A foltok figyelmeztethetik a termelőket más stresszhatásokra is, mint például a túlöntözés, aszályos körülmények, a fény hiánya vagy az öntözővíz magas sókoncentrációja.
A tesztek során a WolfSens kutatói azt találták, hogy a tapasz vírusos fertőzést észlelt a paradicsomban több mint egy héttel azelőtt, hogy a TSWV tünetei megjelennének.
A WolfSens csapata egy hordozható érzékelőt is készített , amely egy kolorimetrikus papírcsíkot használ, amely méri a VOC-t, és a betegség jelenlététől függően megváltoztatja a színét. Az érzékelő egy okostelefonhoz csatlakoztatott kézi eszközt használ, így kényelmesen használható terepen és üvegházakban egyaránt.
A proof-of-concept tesztelés során a hordozható érzékelő észlelte és megkülönböztette a paradicsom késői fertőzését két másik fontos gombakórokozótól, amelyek hasonló tüneteket okoznak. Ezenkívül a kutatók kimutatták, hogy a Phytophthora infestans kórokozót több mint 95%-os pontossággal mutatják ki a paradicsomlevelekben.
Okostelefon-alapú, kolorimetriás platform a levelek VOC-kibocsátásának mintavételéhez.
Történelmileg a növények betegség-vizsgálata invazív eljárás volt, amely a termés szöveteinek megsemmisítését követeli meg a mintavételhez. Ez a folyamat gyakran órákat vagy napokat igényel a laborban, ami napokkal vagy hetekkel késlelteti a betegség azonosítását.
Mindkét érzékelő gyors reagálást biztosít – a gazdálkodók számára a gyors beavatkozáshoz szükséges információkat.
A WolfSens csapata létrehozta ezt a két érzékelőt, hogy együtt működjenek. A patch és a hordozható szalagérzékelő jelenlegi verzióit vezeték nélküli internet-hozzáféréssel rendelkező üvegházakban való használatra tervezték. Végső soron a WolfSens úgy tervezi, hogy az érzékelőket olyan szintre fejleszti, hogy azokat kültéri szántóföldeken is fel lehessen használni, ahol a gazdálkodók sokkal szélesebb növénykultúrákon alkalmazhatják őket. A patch-hez képest a hordozható érzékelő – amely bármilyen okos-telefonnal működik – olcsóbb lehet, így még vonzóbbá és elérhetőbbé válik a gazdálkodók és sokféle növénytermesztő számára.
Az NC PSI elektro- és számítástechnikai professzora, Michael Kudenov és csapata olyan algoritmust hozott létre, amely segíti az érzékelőket a növény egészségi állapotának meghatározásában, annak ellenére, hogy a nap tükröződése okozta színtorzulást.
Az NC PSI egy másik NC State kutatója szintén továbbfejleszti a szenzortechnológiát, hogy segítse a termelőket. Michael Kudenov, az elektro- és számítástechnika professzora a fénypolarizáció alkalmazására, vagyis a fényhullámok biológiai szerkezetek mérésére való felhasználására specializálódott. Ő és csapata a polarizált fény mezőgazdasági felhasználását vizsgálja, és olyan szoftvert fejlesztettek ki, amely segíti a képalkotó érzékelőket a nap tükröződésének leküzdésében .
A mezőgazdaságban használt érzékelők általában úgy vannak programozva, hogy meghatározzák a növény jólétét a levelek vagy szárak színe alapján. Az erős napfény azonban torzíthatja az érzékelők által észlelt színeket, ami a növény egészségi állapotának pontatlan meghatározásához vezethet.
A Kudenov szoftverével a képalkotó érzékelők képesek rögzíteni egy növény színét, és mérni tudják, mennyire polarizált a fény. A szoftver algoritmusa két változó alapján becsüli meg a levél valódi színét: a képalkotó szenzor által érzékelt szín és a képen látható legsötétebb hullámhosszú fény polarizáltsága. Kudenov csapata azért fejlesztette ki ezt az algoritmust, hogy leegyszerűsítse a technológiát és kevesebb számítási teljesítményt használjon, mint a korábbi eszközök.
„Az általunk kifejlesztett szoftver lényegében egy hihetetlenül dinamikus polarizált napszemüvegként működik, amely képes figyelembe venni a polarizációs kihívásokat, hogy pontosan rögzítse a levél színét, függetlenül a tükröződéstől” – mondja Daniel Krafft, Ph.D. .D. NC State hallgatója, aki a képalkotó szenzorszoftver-kutatásról publikált tanulmány első szerzője volt.
Az NC Plant Sciences Initiative az NC államban
Kudenov, Wei és kutatócsoportjaik azt példázzák, hogy a növénytudományon kívüli tudományágakban szerzett szakértelem miként teszi lehetővé az NC PSI számára, hogy merész, új megoldásokat találjon a mezőgazdaság számára.
Wei kémiai és biomolekuláris mérnöki szakterülete befolyásolta, hogy WolfSens érzékelői hogyan utánozzák az emberi biológiát azáltal, hogy „kiszimatolnak” bizonyos betegségeket. Ezzel összefüggésben az emberek is kilélegezhetnek olyan VOC-gázokat, amelyek tüdőrák jelenlétét jelezhetik.
Hasonlóképpen, Kudenov olyan módszereket fejleszt ki, amelyek segítségével a polarizáció – amelyet általánosan használnak az emberi egészségügyben – segítheti a mezőgazdaságot. Az orvosbiológiai képalkotásban polarizált fényt használnak a szövetszerkezet feltárására, és meghatározhatják a rák jelenlétét. A polarizáció használata a növényi szövetek és más struktúrák megértésére olyan terület, amely nem kapott sok figyelmet – és Kudenov interdiszciplináris munkája ezen változtatni kíván.
A különféle készségkészletek összefogásával arra törekszünk, hogy megoldjuk az észak-karolinai mezőgazdaságban és környezetvédelemben tapasztalható, nemzeti és nemzetközi szinten is jelentős kihívásokat.
Lényegében az NC PSI küldetése a meglévő szakértelem és erőforrások hatékony felhasználása a lehetséges dolgok elképzeléséhez. Az NC PSI koncepciója a Mezőgazdasági és Élettudományi Főiskola innovatív interdiszciplináris kutatásából fejlődött ki. Évekig tartó tervezés és vita után azonban az érdekelt felek széles köre – köztük egyetemi adminisztrátorok, gazdálkodók, árucsoportok vezetői, valamint az agrár- és agtech iparág képviselői – úgy döntött, hogy egy interdiszciplináris kutatási központ a legjobban pozícionálja Észak-Karolina mezőgazdasági ágazatát a jövőben.
Az NC PSI-t azért hozták létre, hogy jobban kiaknázhassák az NC State által már kínált lehetőségeket: a földművelés iránti alapvető elkötelezettséget, az élvonalbeli STEM-kutatást és az interdiszciplináris innovációt.
„Az a megközelítés, amit itt a PSI-nél alkalmazunk, az adattudományt – például mesterséges intelligenciát, gépi tanulást, számítógépes látást – használva, és ezeket az új technológiákat a mezőgazdaságban alkalmazzuk” – mondja Adrian Percy, az NC PSI ügyvezető igazgatója.
Az NC nemcsak a CALS és más STEM-központú főiskolák, például a Műszaki Főiskola, a Természeti Erőforrások Főiskola és a Tudományos Főiskola tehetségeit és erőforrásait használja ki; ez távolabbi területekről is vonzott együttműködést, beleértve a Wilson College of Textiles és a College of Humanities and Social Sciences.
„A különféle készségkészletek összehozásával arra törekszünk, hogy megoldjunk néhány összetett kihívást, amelyet Észak-Karolinában a mezőgazdaságban és a környezetvédelemben látunk, és amelyek nemzeti és nemzetközi szinten is jelentősek” – mondja Percy.
Forrás: https://engr.ncsu.edu, H'Rina DeTroy
