Die durchschnittlichen Ernteerträge in Afrika liegen durchweg weit unter den Erwartungen, und ein wichtiger Grund ist die Verbreitung von gefälschtem Saatgut, dessen Keimraten weit unter denen der echten liegen. Die Weltbank schätzt, dass bis zu die Hälfte aller in einigen afrikanischen Ländern verkauften Samen gefälscht sind, was dazu beitragen könnte, dass die Pflanzenproduktion weit unter dem Potenzial liegt.
Es wurden viele Versuche unternommen, diese Fälschung durch Nachverfolgungsetiketten zu verhindern, aber keiner hat sich als wirksam erwiesen; Unter anderem waren solche Labels aufgrund der deterministischen Natur ihrer Codierungssysteme anfällig für Hackerangriffe. Aber jetzt hat ein Team von MIT-Forschern eine Art winziges, biologisch abbaubares Etikett entwickelt, das direkt auf die Samen selbst aufgebracht werden kann und das einen einzigartigen, zufällig erstellten Code liefert, der nicht dupliziert werden kann.
Das neue System, das winzige Punkte aus seidenbasiertem Material verwendet, die jeweils eine einzigartige Kombination verschiedener chemischer Signaturen enthalten, wird heute in der Zeitschrift beschrieben Wissenschaftliche Fortschritte in einem Artikel von Anantha Chandrakasan, Dekanin für Ingenieurwissenschaften am MIT, Benedetto Marelli, Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen, Postdoc Hui Sun und Doktorand Saurav Maji.
Das Problem der Fälschung ist weltweit enorm, betonen die Forscher, und betrifft alles von Medikamenten bis hin zu Luxusgütern, und es wurden viele verschiedene Systeme entwickelt, um zu versuchen, dies zu bekämpfen. Weniger Beachtung fand das Problem im Bereich der Landwirtschaft, auch wenn die Folgen gravierend sein können. In Subsahara-Afrika zum Beispiel schätzt die Weltbank, dass gefälschtes Saatgut ein wesentlicher Faktor für Ernteerträge ist, die durchschnittlich weniger als ein Fünftel des Potenzials für Mais und weniger als ein Drittel für Reis ausmachen.
Marelli erklärt, dass ein Schlüssel zum neuen System darin besteht, ein zufällig produziertes physisches Objekt zu erstellen, dessen genaue Zusammensetzung praktisch unmöglich zu duplizieren ist. Die Etiketten, die sie erstellen, „nutzen die Zufälligkeit und Unsicherheit im Anwendungsprozess, um einzigartige Signaturmerkmale zu erzeugen, die gelesen und nicht reproduziert werden können“, sagt er.
Womit sie es zu tun haben, fügt Sun hinzu, „ist der sehr alte Job, im Grunde zu versuchen, deine Sachen nicht zu stehlen. Und du kannst so viel wie möglich versuchen, aber irgendwann ist immer jemand schlau genug, um herauszufinden, wie es geht tun, also ist nichts wirklich unzerbrechlich. Aber die Idee ist, es ist fast unmöglich, wenn nicht unmöglich, es zu replizieren, oder es erfordert so viel Aufwand, dass es sich nicht mehr lohnt.
Die Idee eines „nicht klonbaren“ Codes wurde ursprünglich entwickelt, um die Authentizität von Computerchips zu schützen, erklärt Chandrakasan, Vannevar-Bush-Professor für Elektrotechnik und Informatik. „In integrierten Schaltkreisen haben einzelne Transistoren leicht unterschiedliche Eigenschaften, die Gerätevariationen geprägt haben“, erklärt er, „und Sie könnten diese Variabilität dann nutzen und diese Variabilität mit übergeordneten Schaltkreisen kombinieren, um eine eindeutige ID für das Gerät zu erstellen. Und sobald Sie das haben , dann können Sie diese eindeutige ID als Teil eines Sicherheitsprotokolls verwenden. So etwas wie die Transistorvariabilität ist von Gerät zu Gerät schwer zu replizieren, daher ist es anders als das Speichern einer bestimmten festen ID.“ Das Konzept basiert auf sogenannten Physical Unclonable Functions, kurz PUFs.
Das Team beschloss zu versuchen, dieses PUF-Prinzip auf das Problem gefälschter Samen anzuwenden, und die Verwendung von Seidenproteinen war eine natürliche Wahl, da das Material nicht nur unschädlich für die Umwelt ist, sondern auch von der Food and Drug Administration als „allgemein als unbedenklich anerkannt“ und bedarf daher keiner besonderen Zulassung für die Verwendung auf Lebensmitteln.
„Man könnte es auf Samen auftragen“, sagt Maji, „und wenn man Seide auf eine bestimmte Weise synthetisiert, wird sie auch natürliche zufällige Variationen aufweisen. Das ist also die Idee, dass jeder Samen oder jede Tasche eine einzigartige Signatur haben könnte. “
Die Entwicklung effektiver sicherer Systemlösungen ist seit langem eine der Spezialitäten von Chandrakasan, während Marelli viele Jahre damit verbracht hat, Systeme zum Aufbringen von Seidenbeschichtungen auf eine Vielzahl von Früchten, Gemüse und Samen zu entwickeln, sodass ihre Zusammenarbeit für die Entwicklung einer solchen seidenbasierten Codierung eine Selbstverständlichkeit war System in Richtung erhöhter Sicherheit.
„Die Herausforderung bestand darin, welche Art von Formfaktor Seide gegeben werden sollte“, sagt Sun, „damit sie sehr einfach hergestellt werden kann.“ Sie entwickelten einen einfachen Drop-Casting-Ansatz, der Etiketten mit einem Durchmesser von weniger als einem Zehntel Zoll produziert. Die zweite Herausforderung bestand darin, „einen Weg zu entwickeln, mit dem wir die Einzigartigkeit auch mit sehr hohem Durchsatz und auf einfache Weise lesen können“.
Für die einzigartigen Codes auf Seidenbasis, sagt Marelli, „haben wir schließlich einen Weg gefunden, diesen Mikropartikeln eine Farbe hinzuzufügen, damit sie sich in zufälligen Strukturen anordnen.“ Die daraus resultierenden einzigartigen Muster können nicht nur von einem Spektrographen oder einem tragbaren Mikroskop ausgelesen werden, sondern sogar von einer gewöhnlichen Handykamera mit Makroobjektiv. Dieses Bild kann lokal verarbeitet werden, um den PUF-Code zu generieren, und dann an die Cloud gesendet und mit einer sicheren Datenbank verglichen werden, um die Echtheit des Produkts sicherzustellen. „Es ist zufällig, sodass die Leute es nicht einfach replizieren können“, sagt Sun. „Die Leute können es nicht vorhersagen, ohne es zu messen.“
Und die Anzahl möglicher Permutationen, die sich aus der Art und Weise ergeben könnten, wie sie vier Grundtypen farbiger Seidennanopartikel mischen, ist astronomisch. „Wir konnten zeigen, dass wir mit einer minimalen Menge an Seide 128 zufällige Sicherheitsbits generieren konnten“, sagt Maji. „Das ergibt also 2 hoch 128 mögliche Kombinationen, was angesichts der Rechenkapazitäten der hochmodernen Computersysteme äußerst schwierig zu knacken ist.“
Marelli sagt: „Für uns ist es ein guter Prüfstand, um unkonventionell zu denken und wie wir einen Weg finden können, der irgendwie demokratischer ist.“ In diesem Fall bedeutet das „etwas, das Sie buchstäblich mit Ihrem Telefon lesen können, und Sie können durch einfaches Tropfengießen eine Lösung herstellen, ohne eine fortschrittliche Fertigungstechnik zu verwenden, ohne in einen Reinraum zu gehen.“
Einige zusätzliche Arbeiten sind erforderlich, um daraus ein praktisches kommerzielles Produkt zu machen, sagt Chandrakasan. „Es muss eine Entwicklung für das maßstabsgetreue Auslesen“ über Smartphones geben. „Also, das ist eindeutig eine Gelegenheit für die Zukunft.“ Aber das Prinzip zeigt jetzt einen klaren Weg zu dem Tag, an dem „ein Landwirt zumindest, vielleicht nicht jeden Samen, aber vielleicht einige zufällige Samen in einer bestimmten Charge nehmen und verifizieren könnte“, sagt er.
Mehr Informationen:
Hui Sun et al, Integration von Biopolymer-Design mit physikalisch nicht klonbaren Funktionen für Fälschungsschutz und Produktrückverfolgbarkeit in der Landwirtschaft, Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adf1978. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf1978