Smart nanosenzory v poľnohospodárstve: budúcnosť presného pestovania

Smart nanosenzory v poľnohospodárstve predstavujú nový spôsob, ako sledovať pôdu, rastliny, vodu a podmienky pestovania s mimoriadne vysokou citlivosťou. Dokážu zachytávať veľmi malé chemické alebo biologické zmeny a v budúcnosti môžu farmárom poskytovať informácie ešte skôr, ako sa problém prejaví voľným okom. V spojení s umelou inteligenciou, IoT, dronmi a automatizáciou tak vzniká nový model precízneho poľnohospodárstva založeného na dátach.

Poľnohospodárstvo dnes čelí viacerým problémom naraz. Nedostatok vody, extrémne počasie, degradácia pôdy, rastúce náklady na hnojivá a potreba obmedzovať zbytočné chemické zásahy nútia pestovateľov pracovať presnejšie. Nestačí vedieť iba to, čo sa na poli deje. Čoraz dôležitejšie je zistiť to včas.

Čo sú smart nanosenzory v poľnohospodárstve?

Smart nanosenzory v poľnohospodárstve sú senzory využívajúce nanomateriály alebo štruktúry s rozmermi na úrovni nanometrov. Vďaka svojim fyzikálnym a chemickým vlastnostiam môžu veľmi citlivo reagovať na určité látky alebo zmeny prostredia.

Takéto senzory môžu byť navrhnuté na sledovanie rôznych parametrov, napríklad:

• vlhkosti pôdy,
• teploty,
• hodnoty pH,
• koncentrácie vybraných živín,
• kontaminantov,
• rastlinných hormónov,
• metabolických látok,
• patogénov,
• signálov súvisiacich so stresom rastliny.

Klasický senzor poskytuje údaj. Inteligentný nanosenzor však môže byť súčasťou širšieho systému, ktorý získané dáta automaticky prenáša, analyzuje a používa pri rozhodovaní.

Výskum publikovaný v odbornom časopise Nature Nanotechnology ukazuje, že nanosenzory môžu pomáhať pri skorom odhaľovaní nástupu a typu rastlinného stresu.

Smart nanosenzory môžu sledovať stav rastliny

Jednou z najzaujímavejších oblastí výskumu je získavanie informácií priamo z rastliny.

Rastlina reaguje na nedostatok vody, vysokú teplotu, poškodenie alebo napadnutie patogénom chemickými a fyziologickými zmenami. Problém je, že pestovateľ často zaznamená až viditeľný výsledok týchto procesov.

List začne žltnúť, rastlina vädne alebo sa objavia škvrny a poškodenie. Smart nanosenzory v poľnohospodárstve môžu pomôcť zachytiť niektoré signály ešte pred vznikom výrazných viditeľných príznakov.

Vedci už experimentujú s nanosenzormi schopnými monitorovať molekuly súvisiace so stresom rastlín. Výskum publikovaný v Nature Nanotechnology napríklad opisuje nanosenzor využívajúci povrchovo zosilnenú Ramanovu spektroskopiu na monitorovanie viacerých stresových signálnych molekúl priamo v živých rastlinách.

Takáto technológia môže v budúcnosti umožniť rastline doslova „signalizovať“, že niečo nie je v poriadku.

Monitoring pôdy pomocou nanosenzorov

Pôda nie je homogénne prostredie. Aj na relatívne malej ploche môžu byť výrazné rozdiely vo vlhkosti, pH, živinách alebo ďalších vlastnostiach.

Tradičný spôsob hospodárenia často pracuje s priemernými hodnotami. Jedna časť poľa však môže mať dostatok vody, zatiaľ čo druhá začína vysychať. V jednej zóne môže byť dostupnosť živín dostatočná, v inej nie.

Práve smart nanosenzory v poľnohospodárstve môžu pomôcť vytvoriť detailnejší obraz o podmienkach na jednotlivých miestach.

Senzory môžu byť súčasťou siete, ktorá priebežne zbiera informácie z rôznych častí poľa. Výsledkom môže byť mapa zobrazujúca, kde sa podmienky začínajú meniť. Farmár tak nemusí reagovať rovnako na celú plochu.

Presnejšie zavlažovanie a menej plytvania vodou

Voda patrí medzi najcennejšie zdroje v poľnohospodárstve. Ak sa zavlažovanie riadi iba časovým harmonogramom, môže sa stať, že rastliny dostanú vodu aj vtedy, keď ju nepotrebujú. Na inom mieste môže byť naopak vody málo.

Smart nanosenzory v poľnohospodárstve môžu poskytovať údaje, ktoré sa kombinujú s klasickými senzormi vlhkosti, meteorologickou predpoveďou, typom pôdy alebo potrebami konkrétnej plodiny.

Ak systém zistí, že konkrétna časť poľa má dostatok vody, zavlažovanie sa tam nemusí spustiť. Ak iná zóna vysychá, systém môže reagovať presne na tomto mieste.

Takýto princíp patrí medzi základy precízneho poľnohospodárstva.

Smart nanosenzory a včasné odhalenie chorôb

Rýchlosť diagnostiky je pri chorobách rastlín veľmi dôležitá. Ak sa choroba rozšíri na veľkú časť porastu, jej zvládnutie môže byť výrazne komplikovanejšie.

Smart nanosenzory v poľnohospodárstve sa preto skúmajú aj ako nástroj na identifikáciu chemických alebo biologických markerov spojených s patogénmi a stresovými reakciami.

Namiesto čakania na viditeľné príznaky by systém mohol zaznamenať zmenu ešte v počiatočnej fáze. Farmár by následne dostal upozornenie, že sa v určitej zóne nachádza problém, ktorý si vyžaduje kontrolu.

To vytvára možnosť cielenejšieho zásahu. Namiesto ošetrenia celého poľa by sa mohla dôkladne skontrolovať alebo ošetriť iba konkrétna časť.

Prepojenie nanosenzorov s IoT

Samotný nanosenzor nestačí. Veľký potenciál vzniká až vtedy, keď sa smart nanosenzory v poľnohospodárstve prepoja s internetom vecí, teda IoT.

Každý senzor môže poskytovať údaje do spoločného systému, ktorý získava informácie zároveň z viacerých zdrojov:

• pôdnych senzorov,
• meteorologických staníc,
• dronov,
• GPS systémov,
• satelitného snímkovania,
• kamier,
• poľnohospodárskych strojov.

Farmár tak namiesto množstva samostatných meraní dostane jeden ucelený pohľad na stav farmy. Dáta sa môžu ukladať do cloudu a priebežne vyhodnocovať.

Umelá inteligencia môže dáta vyhodnocovať

Čím viac senzorov sa používa, tým viac údajov vzniká. Človek však nedokáže manuálne analyzovať milióny meraní zo stoviek alebo tisícov senzorov. Tu vstupuje do hry umelá inteligencia.

Smart nanosenzory v poľnohospodárstve môžu byť zdrojom veľmi detailných údajov, zatiaľ čo AI môže hľadať vzory, odchýlky alebo dlhodobé trendy.

Systém môže porovnávať aktuálnu vlhkosť pôdy, predpoveď počasia, rastovú fázu plodiny, historické údaje, teplotu aj výsledky ostatných senzorov.

Výsledkom nemusí byť iba graf. Systém môže priamo navrhnúť ďalší krok.