Um sensor sem chip biodegradável para monitoramento sem fio da saúde do subsolo

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 8011 (2022) Cite este artigo

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A Agricultura de Precisão (PA) é um componente integral da revolução agrícola contemporânea que se concentra em aumentar a produtividade alimentar proporcionalmente ao aumento da população global, minimizando o desperdício de recursos. Embora os avanços recentes em PA, como a integração de sensores IoT (Internet of Things), tenham melhorado significativamente a vigilância das condições de campo para alcançar altos rendimentos, a presença de baterias e chips eletrônicos os torna caros e não biodegradáveis. Para lidar com essas limitações, pela primeira vez, desenvolvemos um Sensor de Transmissão de Rádio Inteligente (DIRTS) totalmente degradável que permite o sensoriamento remoto da água volumétrica do subsolo usando monitoramento sem fio assistido por drone. O dispositivo consiste em uma simples antena ressonante miniaturizada encapsulada em um material polimérico biodegradável, de modo que a frequência ressonante do dispositivo dependa das propriedades dielétricas do solo ao redor da estrutura encapsulada. A estrutura simples do DIRTS permite processos de manufatura aditiva escalonáveis ​​usando materiais biodegradáveis ​​econômicos para fabricá-los em um tamanho miniaturizado, facilitando assim sua distribuição automatizada no solo. Como prova de conceito, apresentamos o uso do DIRTS em condições de laboratório e de campo, onde os sensores demonstram a capacidade de detectar o conteúdo volumétrico de água na faixa de 3,7–23,5% com uma sensibilidade mínima de 9,07 MHz/%. O sensoriamento remoto de DIRTS pode ser obtido a partir de uma elevação de 40 cm usando drones para fornecer desempenho comparável a medições de laboratório. Um estudo sistemático de biodegradação revela que o DIRTS pode fornecer leituras estáveis ​​dentro da duração esperada de 1 ano com menos de 4% de alteração na sensibilidade antes dos sinais de degradação. O DIRTS fornece um novo trampolim para o avanço da agricultura de precisão, minimizando a pegada ambiental.

O primeiro e contínuo desafio enfrentado pela agricultura global é produzir alimentos suficientes para atender à população em rápido crescimento em todo o mundo. Estima-se que até 2050 a população aumentará em 1,2 bilhão, sendo necessário um aumento de 90% na demanda de alimentos para atender a essa necessidade1. Embora a expansão das instalações agrícolas seja vital para atender a esse requisito projetado, os desafios ambientais impostos pela má gestão dos recursos agrícolas, como água2, terra arável3 e fertilizantes4, são enormes. Entre as várias reservas agrícolas, a água é um dos recursos naturais por excelência necessários para uma agricultura sustentável. A agricultura é o maior consumidor de abastecimento de água, com 70% da água doce do planeta sendo usada para o cultivo5. No entanto, a má gestão dos recursos hídricos leva a práticas irregulares de irrigação que dão origem a graves problemas ambientais6. A irrigação excessiva leva à salinização7, alcalinização8 e encharcamento9 de terras aráveis ​​e à poluição da água devido à lixiviação de nitrogênio10, enquanto a irrigação insuficiente leva a um alto estresse por seca da vegetação e baixo rendimento das culturas11,12. O parâmetro crítico para estimar a eficiência da irrigação é o conteúdo volumétrico de água (VWC) na zona radicular das culturas. Estudos demonstraram que a otimização do VWC no solo fornece o melhor rendimento da cultura validado por meio de uma forte correlação entre o VWC e o rendimento da cultura13.

Além da eficiência da irrigação e do rendimento das culturas, o VWC é um indicador chave da atividade microbiana e da saúde das plantas no solo14. O VWC foi identificado como um biomarcador significativo de microrganismos do solo responsáveis ​​pela decomposição da matéria orgânica15, fixação do nitrogênio16 e solubilização do fósforo17. Como o VWC é um fator importante nos aspectos hidrológicos, bioquímicos e econômicos da agricultura, o monitoramento in-situ do VWC do solo é essencial para melhorar a eficiência da irrigação, o rendimento da colheita, a saúde do solo e, posteriormente, alcançar a máxima produtividade alimentar. No entanto, a maioria dos campos agrícolas geralmente tem alta variabilidade espacial na umidade do solo devido a atributos topográficos flutuantes do terreno, como decomposição de serapilheira, composição da vegetação e práticas de manejo do solo18. Essa alta heterogeneidade da terra agrícola causada pela variabilidade espacial do solo é um grande obstáculo para alcançar a alocação eficiente de recursos em todos os campos agrícolas.