Os sensores vestíveis (wearables) estão cada dia mais presentes na vida de pessoas que usam dispositivos eletrônicos para monitorar a frequência cardíaca durante atividades físicas e a qualidade do sono, entre tantos outros padrões sensíveis para a saúde humana.
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Dispositivos semelhantes estão sendo projetados para aprofundar o monitoramento da saúde das plantas, em busca de aplicações úteis para a agricultura de precisão.
Os sensores vestíveis são uma estratégia promissora para determinar a perda de conteúdo de água das folhas, pois podem fornecer quantificação no local e não destrutiva da água no interior das células a partir de uma única medição.
Como o teor de água é um marcador importante da saúde das folhas, o monitoramento em tempo real pode fornecer dados valiosos para orientar o manejo na agricultura de precisão, bem como para estudos de toxicidade e desenvolvimento de novos insumos agrícolas.
Apesar dos avanços tecnológicos nessa área, a fabricação de eletrodos adequados para o monitoramento de plantas carrega desafios. Os materiais precisam ser leves, flexíveis e capazes de aderir à superfície das folhas, recobertas de tricomas, pelos que protegem contra insetos e contribuem para redução da perda de água. Além disso, precisam ser biocompatíveis, ou seja, não podem prejudicar os processos biológicos de desenvolvimento das plantas.
“Os métodos convencionais têm limitações, pois são baseados em sistemas por imagem, satélites e drones. Eles precisam que a planta atacada por uma doença apresente sinais fenotípicos ou indícios visuais para gerar alertas no monitoramento. Em culturas como a da soja, por exemplo, a alteração de coloração pode sinalizar um estágio irreversível de doenças como a ferrugem”, explica Renato Sousa Lima, pesquisador do Laboratório Nacional de Nanotecnologia (LNNano), órgão que integra o Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), sediado em Campinas.
A superação de todos esses desafios a partir de um dispositivo foi descrita no artigo Biocompatible Wearable Electrodes on Leaves toward the On-Site Monitoring of Water Loss from Plants, publicado recentemente no periódico ACS Applied Materials & Interfaces. O texto foi selecionado para integrar um volume especial da revista dedicado a jovens pesquisadores de todo o mundo: Special Issue: Early Career Forum.
O estudo, que usou como amostras plantas de soja e cana-de-açúcar, é resultado de um projeto apoiado pela FAPESP. A investigação mobilizou uma equipe multidisciplinar, que inclui pesquisadores das universidades Estadual de Campinas (Unicamp), Federal do ABC (UFABC) e Harvard (Estados Unidos), além de especialistas e recursos do LNNano, do Laboratório Nacional de Biorrenováveis (LNBR) e da estação de pesquisa Carnaúba do Sirius, sob responsabilidade do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) – esses dois últimos laboratórios também integram o complexo do CNPEM. O projeto contou ainda com recursos do Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovações (MCTI) e do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq).
Como funciona
O dispositivo desenvolvido em Campinas usa um eletrodo obtido por litografia. Uma peça única recoberta por um filme fino de níquel fixado com a ajuda de um adesivo do tipo micropore. Por esse eletrodo é aplicado um campo elétrico gerado por um capacitor.
A polarização dos íons de nutrientes presentes na água revela com muita sensibilidade mínimas variações de impedância, ou resistência elétrica, que têm relação com os níveis de hidratação da planta.
“Se tem mais água, tem mais íons, você carrega mais o sistema, então a impedância diminui. Se tem menos água, menos íons, você carrega menos o sistema e a impedância aumenta”, explica Lima.
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Ferramentas de aprendizado de máquina – uma técnica de inteligência artificial – ajudaram a selecionar, dentro de um amplo espectro de frequências, a mais adequada para as referências de monitoramento. Também foram usadas para determinar, entre temperaturas de 30 e 20 °C, os parâmetros precisos de quantificação de perda de água nas folhas em diferentes condições de microclima.
A aquisição de dados coletados pelos dispositivos é feita por bluetooth, com a ajuda de um smartphone, o que permite automatização de leituras e monitoramento remoto pela internet.
Inovação patenteada
As principais vantagens do dispositivo desenvolvido no CNPEM são portabilidade, autonomia de bateria (dez dias), sensibilidade, biocompatibilidade e segurança na aquisição de dados, que permitem automatizações essenciais para o monitoramento remoto. Como não existem sensores similares no mercado, o depósito de patente já está em andamento.
Os métodos de fabricação do dispositivo são bem conhecidos e já estão disponíveis mesmo em indústrias de pequeno porte, o que cria condições de escalabilidade da produção e potencial redução do preço final caso alguma empresa se interesse pela tecnologia e decida transformá-la em produto.
Sirius
No estudo, técnicas que fazem uso de radiação síncrotron foram empregadas para avaliar em profundidade as condições de biocompatibilidade dos sensores nas folhas.
Na estação de pesquisa Carnaúba, do Sirius – o acelerador de elétrons de última geração instalado no CNPEM –, medidas de espectrometria atestaram a não interferência do dispositivo no metabolismo das folhas de soja e de cana-de-açúcar.
Técnicas convencionais não permitiriam medir as concentrações de nutrientes com a sensibilidade e precisão necessárias para garantir a biocompatibilidade.
“Em folhas saudáveis, os íons de zinco, manganês, cálcio e ferro, que são nutrientes fundamentais tanto para a parte estrutural quanto para o transporte, obedecem a uma estrutura morfológica semelhante à dos capilares, xilemas e floemas. Quando a folha é afetada, as células se rompem e não existe mais nenhum padrão”, explica Lima.
Próximos passos
No atual estágio de desenvolvimento, o dispositivo se mostra bastante eficiente para uso em ambientes controlados, mas também é muito promissor para monitoramento em ambientes externos. Parcerias com a indústria podem trazer diferentes demandas de aperfeiçoamento.
“O dispositivo demonstrou alta sensibilidade para a avaliação da eficiência do uso de algumas técnicas de manejo ou impacto do uso de insumos, bem como para potencialmente monitorar as condições de produtividade das lavouras. Acreditamos que, com pequenas adaptações, poderia contribuir também como recurso adicional no monitoramento das condições toxicológicas do campo”, avalia Julia Adorno Barbosa, doutoranda do LNNano.
O estudo Biocompatible Wearable Electrodes on Leaves toward the On-Site Monitoring of Water Loss from Plants pode ser acessado em: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c02943.
* Com informações da Assessoria de Comunicação do CNPEM.
