Pflanzen-E-Skin ermöglicht kontinuierliches, nichtinvasives Monitoring für die Präzisionslandwirtschaft

Präzisionslandwirtschaft ist ein aufstrebendes Feld, das Analysetools wie Sensoren verwendet, um Daten über den Zustand von Nutzpflanzen wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Feuchtigkeit und Nährstoffgehalt zu sammeln. Die von diesen Sensoren gesammelten Daten können dazu beitragen, den Ernteertrag zu optimieren und es den Landwirten ermöglichen, umgehend auf Veränderungen der Pflanzenumgebung wie Hitze und erhöhte Niederschläge zu reagieren.

Advancing Plant Sensor Technologies ist ein multidisziplinäres Forscherteam der NUS, das die erste vollständig organische elektronische Pflanzenhaut ihrer Art zur kontinuierlichen und nichtinvasiven Pflanzenüberwachung entwickelt hat.

Ergänzend zu dieser Innovation entwickelte das Team auch ein Pflanzenüberwachungssystem als digitalen Zwilling, um die von der elektronischen Haut der Pflanze gesammelten Daten in eine Visualisierung der physikalischen Eigenschaften der Pflanze in Echtzeit zu übersetzen und so den Weg für effiziente Entscheidungen in der Pflanzenzucht und Präzisionslandwirtschaft zu ebnen.

Das NUS-Team wird gemeinsam von Associate Professor Chengkuo Lee von der Abteilung für Elektro- und Computertechnik des NUS College of Design and Engineering und Assistant Professor Eunyoung Chae von der Abteilung für Biowissenschaften der NUS Faculty of Science geleitet.

Der Herstellungsprozess und die vielversprechenden Ergebnisse aus den Tests der E-Skin- und Digital-Twin-Plattform der Anlage wurden veröffentlicht In Wissenschaftliche Fortschritte.

Innovative E-Skin zur Anlagenüberwachung

Handelsübliche Pflanzensensoren sind oft starr, schwer und undurchsichtig, was bei der Montage an den Pflanzen Schäden verursachen und das Pflanzenwachstum beeinträchtigen kann. Aktuelle Geräte sind außerdem nicht in der Lage, maßgeschneiderte, kontinuierliche und genaue Daten über den physikalischen Zustand der Pflanze zu liefern.

Um diese Einschränkungen zu überwinden, hat das NUS-Forschungsteam die innovative pflanzliche E-Haut unter Verwendung handelsüblicher organischer Materialien so konzipiert, dass sie biokompatibel, transparent und dehnbar ist. Die ultradünne pflanzliche E-Haut hat eine Dicke von 4,5 Mikrometern, was etwa 10 Mal dünner ist als der Durchmesser eines menschlichen Haars, der etwa 50 Mikrometer beträgt.

Die E-Haut besteht aus einer elektrisch leitfähigen Schicht, die zwischen zwei transparenten Substratschichten eingeschlossen ist. Die Einbeziehung dieser Schichten macht die pflanzliche E-Haut bemerkenswert transparent und lässt mehr als 85 % des Lichts im Wellenlängenbereich von 400 bis 700 Nanometern durch, was perfekt mit der Lichtabsorptionswellenlänge übereinstimmt, die Pflanzen zur Energieerzeugung benötigen.

Das Team zeigte, dass die pflanzliche E-Haut auf Blättern, die Stressbedingungen wie Hitze und Wassermangel ausgesetzt sind, zuverlässig funktioniert. Die vielseitige pflanzliche E-Haut ist auch für verschiedene Arten von Pflanzenblättern und verschiedene Pflanzenwachstumsumgebungen wie Regen geeignet.

Verschiedene Sensortypen – zur Messung von Dehnung und Temperatur – werden mithilfe einfacher Lithografie auf die E-Haut aufgebracht. Die E-Haut wird dann auf die Oberfläche von Pflanzenblättern aufgebracht, um die Überwachung wichtiger Parameter durchzuführen.

Bei der Entwicklung des Dehnungssensors haben die Forscher darauf geachtet, dass das Wachstum kleiner und empfindlicher Blätter überwacht und gleichzeitig die Pflanze geschützt werden muss.

Mithilfe ihrer neuartigen elektronischen Pflanzenhaut konnte das NUS-Team das Wachstumsmuster von Ackersenfblättern erfolgreich überwachen und zeigen, wie sich der Sensor zur genauen Überwachung an die Blattoberfläche anpassen und nahtlos in die Pflanzenblätter integrieren lässt, ohne erkennbare negative Schäden zu verursachen.

Darüber hinaus ermöglicht der E-Skin-Temperatursensor eine zuverlässige und nicht-invasive Überwachung der Oberflächentemperatur von Pflanzenblättern.

„Die Fähigkeit, die Temperatur der Blattoberfläche zu messen, ist ein einzigartiges Merkmal unserer pflanzlichen elektronischen Haut, das derzeit bei herkömmlichen Temperatursensoren nicht vorhanden ist. Diese Funktion ermöglicht es uns, Daten zu sammeln, um zu verstehen, wie wir den Hitzestress der Blätter, der durch langfristige Hitzeeinwirkung verursacht wird, abmildern können, was für die Präzisionslandwirtschaft wirtschaftlich wertvoller Nutzpflanzen von Vorteil ist“, sagte Assoc Prof Lee.

Digitales Zwillingssystem für die Präzisionslandwirtschaft

Als Ergänzung zur elektronischen Pflanzenhaut entwickelte das Forschungsteam der NUS ein digitales Zwillings-Pflanzenüberwachungssystem, um die Oberflächenumgebung der Pflanze in Echtzeit zu visualisieren und so eine intuitive und anschauliche Plattform zur Pflanzenüberwachung bereitzustellen.

Die von den Sensoren auf der E-Haut der Pflanze gesammelten Daten werden verarbeitet, um eine digitale Ausgabe zu erzeugen, die zur Erstellung eines digitalen Zwillings der Pflanze verwendet wird, der die physischen Bedingungen der echten Pflanze widerspiegelt. Unter Verwendung der Temperatur als Testbedingung demonstrierte das NUS-Team, dass das Digital-Zwilling-System Temperaturschwankungen auf der Blattoberfläche der Pflanze sofort in Farbänderungen auf dem digitalen Zwilling der Pflanze übersetzen kann, sodass Benutzer die Änderungen der Oberflächentemperatur der Pflanze visualisieren können.

Das innovative, auf einem digitalen Zwilling basierende Anlagenüberwachungssystem kann dazu beitragen, eine präzise und zeitgerechte Anpassung der Anlagenumgebung zu ermöglichen, wie etwa die Regulierung der Temperatur einer Indoor-Farm.

„Neben der Temperatur kann dieses digitale Zwillingssystem für Pflanzen auch zur kontinuierlichen und nichtinvasiven Überwachung physikalischer Eigenschaften von Pflanzen in verschiedenen Umgebungen genutzt werden. Dies würde eine schnelle Analyse solcher Eigenschaften neuer Pflanzensorten ermöglichen, was wiederum das Potenzial hat, die Pflanzenzüchtungsprozesse zu beschleunigen“, sagte Asst Prof Chae.

In der nächsten Phase ihrer Arbeit hoffen die NUS-Forscher, weitere Funktionen in die elektronische Haut der Pflanze zu integrieren, etwa einen Feuchtigkeitssensor und einen Chemikaliensensor, und diese mit dem digitalen Zwillingssystem der Pflanze zu koppeln, um eine umfassendere Überwachung der physikalischen Eigenschaften der Pflanze zu ermöglichen.