Os smartwatches conseguem medir a frequência cardíaca e até alertar depois de uma noite mal dormida. Nas plantas, nunca existiu nada realmente equivalente.
No terreno, os agricultores tendem a perceber que algo vai mal apenas quando os sinais já se tornam visíveis - folhas enroladas ou crescimento atrofiado denunciam um stress que pode estar a acumular-se há dias.
Um novo tipo de sensor pode alterar por completo esse intervalo. É colocado diretamente na planta e consegue detetar indícios de stress muito antes de surgirem danos aparentes.
Detetar danos antes de serem visíveis
Engenheiros da Tufts University desenvolveram dois dispositivos distintos, concebidos para serem fixados numa planta viva.
Um deles é um adesivo ultrafino, semelhante a uma tatuagem, que se prende à folha. O outro é uma banda elástica que envolve o caule e permanece no lugar mesmo com vento.
Em conjunto, os dois medem dois “sinais vitais” essenciais. O adesivo lê a temperatura e a humidade logo abaixo da superfície da folha, enquanto a banda acompanha se o caule continua a alargar à medida que a planta cresce.
O sistema inclui ainda um pormenor inesperado: funciona sem qualquer bateria externa. Em vez disso, obtém energia a partir da humidade que evapora da própria planta.
“Existem outros sensores para plantas, mas a capacidade de acompanhar múltiplos fatores de stress e parâmetros ligados ao crescimento é limitada, e a tecnologia recorre frequentemente a baterias externas, o que complica a implementação no campo”, afirmou Nafize Hossain, da Tufts.
Para lá da tecnologia
Os produtores já dispõem de ferramentas que observam as culturas de cima: satélites e drones recolhem dados visíveis, infravermelhos e de micro-ondas sobre campos inteiros.
Essas imagens permitem mapear o verdor, diferenças de crescimento, temperatura, danos por pragas e humidade do solo. As sondas no solo acrescentam medições próprias de humidade, temperatura, pH e alguns níveis de nutrientes.
As estações meteorológicas completam o quadro com temperatura do ar, humidade, precipitação, vento e exposição solar.
Apesar de úteis, estes recursos descrevem sobretudo o que rodeia a planta - ou danos que já ocorreram.
O sensor na folha segue uma lógica diferente: indica, em tempo real, como a planta está a lidar com as condições naquele momento.
Sinais precoces de alerta
“O sensor na folha funciona mais como um sistema de alerta precoce, mostrando como a planta está a responder no momento, antes de surgirem sinais visíveis”, disse Hossain.
“A grande promessa não é apenas uma planta usar um sensor. É que, um dia, os campos possam conter redes de monitores ao nível da planta, cada um a reportar sinais iniciais de sede, stress salino, doença ou desequilíbrio de nutrientes.”
O professor Sameer Sonkusale é engenheiro eletrotécnico na Tufts University.
“Embora os satélites e drones já ofereçam aos agricultores uma visão panorâmica, os dispositivos vestíveis para plantas podem dar uma perspetiva mais íntima - a visão do ponto de vista da própria planta”, afirmou o professor Sonkusale.
Identificar o stress hídrico
O adesivo na folha centra-se num indicador chamado défice de pressão de vapor, ou VPD, que mede a intensidade com que o ar em redor tenta retirar água da planta.
Quando o VPD é elevado, o ar está seco e puxa humidade das folhas. Para se proteger, a planta fecha os estomas - poros microscópicos responsáveis pelas trocas gasosas e pela perda de água.
Esse mecanismo reduz o risco de desidratação, mas também abranda a fotossíntese e trava o crescimento.
Energia gerada pela planta
O componente de humidade é onde o projeto se torna mais engenhoso: usa cristais de pentóxido de vanádio, divididos em nanosheets ultrafinas.
Essas folhas empilham-se em camadas dentro de uma membrana, e uma folha de grafeno feita de átomos de carbono atua como um filtro, deixando passar a humidade da planta até às camadas internas.
À medida que a água entra, formam-se iões que se deslocam sobre as nanosheets e geram corrente elétrica, fazendo com que o adesivo funcione ao mesmo tempo como sensor e como uma pequena bateria.
A intensidade dessa corrente acompanha a quantidade de humidade que a folha troca com o ar.
A potência gerada mantém-se baixa, na ordem dos microwatts. Ainda assim, com eletrónica de baixo consumo e um pouco de armazenamento de energia, é suficiente para suportar leituras regulares.
Acompanhar o caule
O dispositivo do caule inspira-se no kirigami, a arte japonesa de cortar papel para permitir que estique e dobre. Os cortes fazem com que a banda consiga expandir e contrair com o caule, em vez de o contrariar.
O sensor é revestido por um gel macio condutor de iões, chamado eutectogel, cuja resistência elétrica muda à medida que o caule incha ou afina.
Num caule saudável, é comum haver aumento de espessura de um dia para o outro; sob stress, esse alargamento pode abrandar ou o caule pode mesmo encolher.
Sensores e escalas de tempo
Juntar os dois dispositivos é importante porque as plantas manifestam stress em mais do que um “relógio”.
A folha responde a condições imediatas que impulsionam a perda de água, enquanto o caule traduz um processo biológico mais lento, que se desenvolve ao longo do tempo.
Um sensor regista o instante e o outro acompanha a tendência prolongada. Quando analisados em conjunto, oferecem um retrato mais completo do que qualquer um conseguiria sozinho.
Testado em pimenteiros
A equipa instalou o sistema em plantas de pimento e usou-o para distinguir plantas saudáveis daquelas afetadas por falta de água ou stress salino.
Nas plantas saudáveis, o VPD apresentou oscilações rítmicas, acompanhando o ciclo diário normal da humidade do ar.
Nas plantas com stress hídrico, o VPD subiu de forma contínua; já nas plantas com stress salino, aconteceu o contrário, com VPD abaixo do grupo de controlo.
Essa descida provavelmente está ligada a alterações na absorção de água e no comportamento dos estomas. As leituras do caule reforçaram a mesma conclusão por outra via.
As plantas saudáveis continuaram a crescer, enquanto as plantas sob stress ou estagnaram ou encolheram por completo.
Pensado para o campo
Em condições reais, o campo é exigente para a eletrónica, por isso o adesivo na folha foi concebido para dobrar e esticar sem rasgar, mantendo ao mesmo tempo a capacidade de a folha “respirar”.
Essa flexibilidade permite que continue a funcionar sobre a superfície irregular e em movimento de uma planta real. No caule, o padrão de kirigami ajuda a distribuir a tensão pelo material.
Com esse desenho, o sensor resiste melhor a impactos súbitos - como uma rajada de vento mais forte - sem perder a fiabilidade das medições.
Redes sem fios de plantas
Para já, a equipa está a desenvolver uma ligação sem fios completa para os sensores e está a testar LoRa, um standard de longo alcance, juntamente com alternativas baseadas em Bluetooth.
Uma ligação sem fios permitiria que sensores dispersos reportassem dados sem que alguém tivesse de percorrer as filas.
Além disso, estes sensores podem ir muito além da água e do calor. Versões futuras poderão monitorizar nutrientes, hormonas vegetais e as respostas mais iniciais a doenças em raízes, folhas, caules e frutos.
Crédito da imagem: Nafize Hossain
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