أجهزة استشعار صغيرة يمكنها اكتشاف الجفاف قبل تدمير المحاصيل الزراعية

في العديد من أنحاء العالم، يتسبب الجفاف في معاناة المزارعين. وغالبًا ما تترجم الحقول الجافة إلى حصاد ضئيل ومتاعب مالية.

الطرق التقليدية لفحص النباتات بحثاً عن الجفاف بطيئة، وتعتمد بشكل كبير على العلامات المرئية مثل ذبول الأوراقK وبحلول الوقت الذي يلاحظ فيه المزارعون ذلك، قد يكون الأوان قد فات لمنع الخسائر الكبيرة.

وفي الشهر الماضي، كشف الباحثون عن حل واعد: جهاز استشعار يكتشف الجفاف في النباتات لمدة تصل إلى 48 ساعة قبل ظهور الأعراض لأول مرة.

أدلة مبكرة مخفية في سوائل النبات

يمكن للتحولات الكيميائية الدقيقة داخل أنسجة النبات أن تشير إلى الجفاف قبل وقت طويل من ظهور أوراقه مترهلة.

وبدلاً من انتظار العلامات الواضحة، استخدم الباحثون هذه المستشعرات لقياس مستويات الرقم الهيدروجيني داخل النباتات الحية، وبالتالي اكتشاف العلامات المبكرة للتوتر.

يشير انخفاض الحموضة إلى بداية الجفاف، وقد تم تصميم أجهزة الاستشعار للكشف عن هذا التحول في وقت مبكر. ومن خلال دمج هذه المستشعرات في أنسجة النباتات، يهدف العلماء إلى منح المزارعين ميزة في إدارة الإجهاد المائي.

تم إجراء هذا البحث بقيادة مايكل سترانو في تحالف سنغافورة-معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا للأبحاث والتكنولوجيا ( SMART )، بالتعاون مع مختبر تيماسيك للعلوم الحياتية ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

نُشر البحث في مجلة Nature Communications .

داخل هذه المستشعرات الصغيرة

يكمن سر هذا النهج في أجهزة استشعار الإطار العضوي التساهمي (COF) . تتكون هذه المواد المتقدمة من جزيئات تحتوي على الكربون مرتبة في شبكات تشبه البلورات، وتتغير ألوانها استجابة للتغيرات في درجة الحموضة، مما يجعلها مثالية لتتبع صحة النبات.

ومع ذلك، لم يتم استخدام COFs في الأنظمة البيولوجية حتى قام الباحثون بدمجها مع إبر الألياف الحريرية الدقيقة . تسمح هذه الإبر الدقيقة للمستشعرات باختراق أنسجة الخشب في النبات بلطف وفعالية.

رؤية واضحة لتغيرات الرقم الهيدروجيني

تتميز إبر الألياف الحريرية بأنها شفافة، مما يتيح مراقبة التغيرات في درجة الحموضة داخل النباتات في الوقت الفعلي. يؤدي الإجهاد الناتج عن الجفاف إلى ارتفاع درجة الحموضة، وهو ما تكتشفه هذه المستشعرات من خلال التحولات الدقيقة في اللون.

هذا الاختراق يوفر للمزارعين وسيلة لاكتشاف الضغوط في وقت مبكر والتدخل قبل حدوث الضرر المرئي. ومع تفاقم تغير المناخ، قد تصبح أدوات مثل هذه ضرورية للحفاظ على غلة المحاصيل.

وأوضح مايكل سترانو، الباحث في شركة SMART، أن “هذا النوع من المستشعرات يمكن ربطه بسهولة بالنبات والاستفسار عنه باستخدام أجهزة بسيطة”.

الزراعة الدقيقة للأوقات الصعبة

تواجه الزراعة تحديات متزايدة بسبب عدم القدرة على التنبؤ بالمناخ وارتفاع التكاليف، ويعتمد العديد من المزارعين على أساليب تفاعلية لإدارة المحاصيل، مما يؤدي إلى عدم كفاءة الموارد.

تتيح أجهزة الاستشعار الجديدة اتخاذ تدابير استباقية من خلال تقديم رؤى دقيقة حول الصحة الداخلية للنبات، وباستخدام هذه الأدوات، يمكن للمزارعين الحفاظ على المياه، وتطبيق العناصر الغذائية بشكل استراتيجي، والحد من النفايات.

أصوات وراء زواج الحرير والـCOF

قال بينيديتو ماريلي، الباحث في SMART: “تجعل هذه المستشعرات الزراعة أكثر دقة في ظل تحديات تغير المناخ” ، من خلال دمج المستشعرات النانوية مع المواد الحيوية، توفر التكنولوجيا طريقة سلسة لمراقبة صحة النبات.

يتيح هذا الابتكار للباحثين استكشاف مؤشرات إجهاد النبات بشكل أكثر شمولاً، علاوة على ذلك، فهو يدعم الجهود العالمية لتحسين الاستدامة الزراعية.

اكتشاف التحولات الدقيقة في درجة الحموضة  

عندما يبدأ الجفاف في الضغط على النبات، ترتفع مستويات الرقم الهيدروجيني. تلتقط أجهزة استشعار COF هذه التحولات من خلال التحول من الأحمر الداكن إلى الأحمر.

تساعد هذه الإشارة البصرية البسيطة المزارعين على اكتشاف المشاكل دون الحاجة إلى معدات باهظة الثمن. ومن خلال معالجة مشكلة نقص المياه في وقت مبكر، يمكن للمزارعين حماية محاصيلهم والحد من الخسائر الإجمالية.

قال الدكتور سونغ وانج ، الباحث في معهد SMART: “لقد قمنا بتطوير طريقة للكشف عن التغيرات في درجة الحموضة في أنسجة النبات لمنع فقدان المحصول” .

تصميم المستشعر العملي

تعتبر أجهزة الاستشعار هذه سهلة الاستخدام ولا تتطلب تدخلاً جراحيًا. ويمكن للمزارعين مراقبة النتائج باستخدام كاميرا الهاتف الذكي، والتقاط تغيرات اللون مباشرة من جهاز الاستشعار.

وأكد الدكتور يانغ يانغ هان ، الباحث في SMART، أن “إبر SF الدقيقة تسمح برسم خرائط في الوقت الفعلي لصحة النبات بطريقة قليلة التدخل”.

نتطلع إلى المزيد من الأهداف

ويخطط الباحثون لتوسيع هذه التكنولوجيا إلى ما هو أبعد من مجرد اكتشاف درجة الحموضة، وهم يهدفون إلى تصميم أجهزة استشعار قادرة على قياس الهرمونات النباتية ومستقلباتها، وهو ما من شأنه أن يوفر رؤى أعمق لصحة النبات.

ومن خلال تتبع مؤشرات متعددة، يمكن لأجهزة استشعار COF إحداث ثورة في إدارة المحاصيل من خلال تمكين المزارعين من حماية محاصيلهم ومواردهم بشكل فعال، ومن شأن هذا أن يساعد المزارعين على التكيف مع الظروف البيئية المتغيرة، وإظهار إمكانات الزراعة الدقيقة في معالجة تحديات تغير المناخ والأمن الغذائي.