Un sensore biodegradabile senza chip per il monitoraggio wireless della salute del sottosuolo

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 8011 (2022) Citare questo articolo

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L’agricoltura di precisione (PA) è una componente integrale della rivoluzione agricola contemporanea che si concentra sull’aumento della produttività alimentare in proporzione all’aumento della popolazione globale, riducendo al minimo lo spreco di risorse. Mentre i recenti progressi nel campo dell’AP, come l’integrazione dei sensori IoT (Internet of Things), hanno migliorato significativamente la sorveglianza delle condizioni del campo per ottenere rendimenti elevati, la presenza di batterie e chip elettronici li rende costosi e non biodegradabili. Per affrontare queste limitazioni, per la prima volta, abbiamo sviluppato un sensore di trasmissione radio intelligente (DIRTS) completamente degradabile che consente il rilevamento remoto dell’acqua volumetrica del sottosuolo utilizzando il monitoraggio wireless assistito da droni. Il dispositivo è costituito da una semplice antenna risonante miniaturizzata incapsulata in un materiale polimerico biodegradabile in modo tale che la frequenza di risonanza del dispositivo dipenda dalle proprietà dielettriche del terreno che circonda la struttura incapsulata. La semplice struttura di DIRTS consente processi di produzione additiva scalabili utilizzando materiali biodegradabili ed economici per fabbricarli in dimensioni miniaturizzate, facilitando così la loro distribuzione automatizzata nel suolo. Come prova di concetto, presentiamo l'uso di DIRTS in condizioni di laboratorio e sul campo in cui i sensori dimostrano la capacità di rilevare il contenuto volumetrico di acqua nell'intervallo compreso tra 3,7 e 23,5% con una sensibilità minima di 9,07 MHz/%. Il rilevamento remoto di DIRTS può essere ottenuto da un’altitudine di 40 cm utilizzando droni per fornire prestazioni paragonabili alle misurazioni di laboratorio. Uno studio sistematico sulla biodegradazione rivela che DIRTS può fornire letture stabili entro la durata prevista di 1 anno con una variazione della sensibilità inferiore al 4% prima dei segni di degrado. DIRTS fornisce un nuovo trampolino di lancio verso il progresso dell’agricoltura di precisione riducendo al minimo l’impatto ambientale.

La prima e continua sfida che l’agricoltura globale deve affrontare è produrre cibo sufficiente a soddisfare la popolazione in rapida crescita in tutto il mondo. Si stima che entro il 2050 la popolazione aumenterà di 1,2 miliardi, richiedendo un aumento del 90% della domanda alimentare per soddisfare questa esigenza1. Sebbene l’espansione delle strutture agricole sia vitale per soddisfare questo requisito previsto, le sfide ambientali poste dalla cattiva gestione delle risorse agricole, come l’acqua2, i terreni coltivabili3 e i fertilizzanti4, sono enormi. Tra le varie riserve agricole, l’acqua è una delle risorse naturali per eccellenza necessarie per un’agricoltura sostenibile. L’agricoltura è il maggiore consumatore di risorse idriche, con il 70% dell’acqua dolce sulla terra utilizzata per la coltivazione5. Tuttavia, una cattiva gestione delle risorse idriche porta a pratiche di irrigazione irregolari che danno luogo a gravi problemi ambientali6. L’irrigazione eccessiva porta alla salinizzazione7, all’alcalinizzazione8 e al ristagno9 dei terreni arabili e all’inquinamento dell’acqua dovuto alla lisciviazione di azoto10, mentre la scarsa irrigazione porta a un elevato stress da secchezza della vegetazione e a una scarsa resa delle colture11,12. Il parametro fondamentale per valutare l'efficienza dell'irrigazione è il contenuto volumetrico di acqua (VWC) nella zona radicale delle colture. Gli studi hanno dimostrato che l’ottimizzazione del VWC nel suolo fornisce la migliore resa del raccolto convalidata attraverso una forte correlazione tra VWC e resa del raccolto13.

Oltre all’efficienza dell’irrigazione e alla resa delle colture, il VWC è un indicatore chiave dell’attività microbica e della salute delle piante nel suolo14. Il VWC è stato identificato come un biomarcatore significativo dei microrganismi del suolo responsabili della decomposizione della materia organica15, della fissazione dell'azoto16 e della solubilizzazione del fosforo17. Poiché il VWC è un fattore importante negli aspetti idrologici, biochimici ed economici dell’agricoltura, il monitoraggio in situ del VWC del suolo è essenziale per migliorare l’efficienza dell’irrigazione, la resa delle colture, la salute del suolo e successivamente ottenere la massima produttività alimentare. Tuttavia, la maggior parte dei campi agricoli presenta spesso un’elevata variabilità spaziale dell’umidità del suolo a causa delle fluttuazioni delle caratteristiche topografiche del terreno, come la decomposizione dei rifiuti, la composizione della vegetazione e le pratiche di gestione del suolo18. Questa elevata eterogeneità dei terreni agricoli causata dalla variabilità spaziale del suolo rappresenta un grosso ostacolo nel raggiungimento di un’efficiente allocazione delle risorse in tutti i campi agricoli.