Wearable Patch überwacht Pflanzen auf Krankheiten und Stress

Das Sensorpflaster sitzt auf einem Pflanzenblatt

Forscher haben ein neues Pflaster entwickelt, das Pflanzen „tragen“ können, um kontinuierlich auf Krankheiten oder andere Belastungen wie Ernteschäden oder extreme Hitze zu achten.

„Wir haben einen tragbaren Sensor entwickelt, der Pflanzenstress und -krankheiten auf nichtinvasive Weise überwacht, indem er die von Pflanzen emittierten flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) misst“, sagt Qingshan Wei, Assistenzprofessor für Chemie- und Biomolekulartechnik an der North Carolina State University und Co -korrespondierender Autor einer Arbeit über das Werk.

Aktuelle Testmethoden für Pflanzenstress oder Krankheiten beinhalten die Entnahme von Pflanzengewebeproben und die Durchführung eines Assays in einem Labor. Dies gibt den Züchtern jedoch nur eine Messung, und es gibt eine Zeitverzögerung zwischen der Entnahme einer Probe und dem Erhalt der Testergebnisse.

Pflanzen emittieren unter verschiedenen Umständen unterschiedliche Kombinationen von VOCs. Indem die Sensoren auf VOCs abzielen, die für bestimmte Krankheiten oder Pflanzenstress relevant sind, können die Sensoren Benutzer auf bestimmte Probleme aufmerksam machen.

„Unsere Technologie überwacht VOC-Emissionen kontinuierlich aus der Anlage, ohne die Anlage zu schädigen“, sagt Wei. „Der von uns demonstrierte Prototyp speichert diese Überwachungsdaten, aber zukünftige Versionen werden die Daten drahtlos übertragen. Was wir entwickelt haben, ermöglicht es Landwirten, Probleme auf dem Feld zu erkennen – sie müssten nicht warten, bis sie Testergebnisse von einem Labor erhalten.“

Die rechteckigen Patches sind 30 Millimeter lang und bestehen aus einem flexiblen Material mit Sensoren auf Graphenbasis und flexiblen Silbernanodrähten. Die Sensoren sind mit verschiedenen chemischen Liganden beschichtet, die auf das Vorhandensein spezifischer VOCs reagieren, sodass das System VOCs in Gasen, die die Blätter der Pflanze abgeben, erkennen und messen können.

Die Forscher testeten einen Prototyp des Geräts an Tomatenpflanzen. Der Prototyp wurde eingerichtet, um zwei Arten von Stress zu überwachen: physische Schäden an der Pflanze und Infektionen durch P. infestans, der Erreger, der spät verursacht krankheit bei Tomaten. Das System erkannte VOC-Veränderungen im Zusammenhang mit dem physischen Schaden innerhalb von ein bis drei Stunden, je nachdem, wie nahe der Schaden an der Stelle des Pflasters lag.

Erkennen des Vorhandenseins von P. infestans dauerte länger. Die Technologie erfasste erst drei bis vier Tage nach der Impfung der Tomatenpflanzen durch die Forscher Veränderungen der VOC-Emissionen.

„Dies ist nicht merklich schneller als das Auftreten von visuellen Symptomen der Krautfäule“, sagt Wei. „Das Überwachungssystem bedeutet jedoch, dass sich die Züchter nicht darauf verlassen müssen, winzige visuelle Symptome zu erkennen. Eine kontinuierliche Überwachung würde es den Erzeugern ermöglichen, Pflanzenkrankheiten so schnell wie möglich zu erkennen und die Ausbreitung der Krankheit zu begrenzen.“

„Unsere Prototypen können bereits 13 verschiedene pflanzliche VOCs mit hoher Genauigkeit erkennen, sodass Benutzer ein maßgeschneidertes Sensorarray entwickeln können, das sich auf die Belastungen und Krankheiten konzentriert, die ein Anbauer für am relevantesten hält“, sagt Yong Zhu, Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik und Co -korrespondierender Autor des Papiers.

„Es ist auch wichtig zu beachten, dass die Materialien relativ kostengünstig sind“, sagt Zhu. „Wenn die Fertigung hochskaliert würde, wäre diese Technologie unserer Meinung nach erschwinglich. Wir versuchen, eine praktische Lösung für ein reales Problem zu entwickeln, und wir wissen, dass die Kosten ein wichtiger Aspekt sind.“

Die Forscher arbeiten derzeit an der Entwicklung eines Patches der nächsten Generation, das Temperatur, Feuchtigkeit und andere Umgebungsvariablen sowie VOCs überwachen kann. Und während die Prototypen batteriebetrieben waren und die Daten vor Ort speicherten, planen die Forscher, dass zukünftige Versionen solarbetrieben werden und eine drahtlose Datenübertragung ermöglichen.

Zheng Li, ein ehemaliger Postdoc an der NC State, der jetzt Assistenzprofessor an der Shenzhen University ist, und Yuxuan Li, ein Doktorand an der NC State, sind Co-Erstautoren der in der Zeitschrift veröffentlichten Arbeit Materie. Weitere Co-Autoren stammen von der Stony Brook University und dem NC State.

Die Arbeit wurde vom US-Landwirtschaftsministerium, der National Science Foundation und dem NC State unterstützt.

Quelle: NC-Zustand

Über den Autor

Matt Shipman-NC State

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Dieser Artikel erschien ursprünglich auf Futurity

 


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