무선 하층토 상태 모니터링을 위한 생분해성 칩리스 센서

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 8011(2022) 이 기사 인용

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정밀 농업(PA)은 자원 낭비를 최소화하면서 증가하는 세계 인구에 비례하여 식량 생산성을 향상시키는 데 초점을 맞춘 현대 농업 혁명의 필수 구성 요소입니다. IoT(사물 인터넷) 센서의 통합과 같은 PA의 최근 발전으로 현장 조건 감시가 크게 향상되어 높은 수율을 달성했지만 배터리와 전자 칩의 존재로 인해 비용이 많이 들고 생분해되지 않습니다. 이러한 한계를 해결하기 위해 처음으로 우리는 드론 지원 무선 모니터링을 사용하여 하층토 체적수를 원격 감지할 수 있는 완전 분해 가능한 지능형 무선 전송 센서(DIRTS)를 개발했습니다. 이 장치는 장치의 공진 주파수가 캡슐화된 구조를 둘러싼 토양의 유전 특성에 따라 달라지도록 생분해성 폴리머 재료로 캡슐화된 간단한 소형 공진 안테나로 구성됩니다. DIRTS의 간단한 구조는 비용 효율적인 생분해성 재료를 사용하여 소형화된 크기로 제조하여 확장 가능한 적층 제조 공정을 가능하게 하여 토양 내 자동 배포를 촉진합니다. 개념 증명으로 우리는 센서가 9.07MHz/%의 최소 감도로 3.7~23.5% 범위 내의 체적 수분 함량을 감지하는 기능을 보여주는 실험실 및 현장 조건에서 DIRTS의 사용을 제시합니다. DIRTS의 원격 감지는 드론을 사용하여 40cm 높이에서 달성할 수 있어 실험실 측정과 비슷한 성능을 제공합니다. 체계적인 생분해 연구에 따르면 DIRTS는 분해 징후가 나타나기 전 민감도 변화가 4% 미만으로 예상 기간인 1년 내에 안정적인 판독값을 제공할 수 있는 것으로 나타났습니다. DIRTS는 환경에 미치는 영향을 최소화하면서 정밀 농업을 발전시키기 위한 새로운 디딤돌을 제공합니다.

세계 농업이 직면한 첫 번째이자 지속적인 과제는 전 세계적으로 빠르게 증가하는 인구를 충족할 수 있는 충분한 식량을 생산하는 것입니다. 2050년까지 인구는 12억 명 증가할 것으로 추산되며 이러한 수요를 충족하려면 식량 수요가 90% 증가해야 합니다1. 이러한 예상 요구 사항을 충족하려면 농업 시설을 확장하는 것이 필수적이지만, 물2, 경작지3, 비료4와 같은 농업 자원의 잘못된 관리로 인한 환경 문제는 엄청납니다. 다양한 농업 매장량 중에서 물은 지속 가능한 농업에 필요한 전형적인 천연 자원 중 하나입니다. 농업은 지구상 담수의 70%가 작물 재배에 사용되는 가장 큰 물 공급원입니다5. 그러나 수자원 관리가 부실하면 불규칙한 관개 관행이 발생하여 심각한 환경 문제가 발생합니다6. 과도한 관개는 경작지의 염분화7, 알칼리화8 및 침수9를 초래하고 질소 침출10로 인한 수질 오염을 초래하는 반면, 관개 부족은 높은 식생 건조 스트레스와 낮은 작물 수확량11,12로 이어집니다. 관개 효율성을 평가하는 데 중요한 매개변수는 작물 뿌리 영역의 체적 수분 함량(VWC)입니다. 연구에 따르면 토양에서 VWC를 최적화하면 VWC와 작물 수확량 사이의 강한 상관관계를 통해 검증된 최고의 작물 수확량이 제공되는 것으로 나타났습니다13.

관개 효율성과 작물 수확량 외에도 VWC는 토양 내 미생물 활동과 식물 건강을 나타내는 주요 지표입니다14. VWC는 유기물의 분해15, 질소 고정16 및 인의 용해17를 담당하는 토양 미생물의 중요한 바이오마커로 확인되었습니다. VWC는 농업의 수문학적, 생화학적, 경제적 측면에서 중요한 요소이기 때문에 관개 효율성, 작물 수확량, 토양 건강을 개선하고 결과적으로 최대 식량 생산성을 달성하려면 토양의 VWC에 대한 현장 모니터링이 필수적입니다. 그러나 대부분의 농업 분야는 쓰레기 분해, 식생 구성 및 토양 관리 관행과 같은 지형학적 지형 특성의 변동으로 인해 토양 수분의 공간적 변동성이 높은 경우가 많습니다18. 토양의 공간적 가변성으로 인해 발생하는 농경지의 높은 이질성은 농업 분야 전반에 걸쳐 효율적인 자원 배분을 달성하는 데 주요 장애물입니다.