Un capteur sans puce biodégradable pour la surveillance sans fil de la santé du sous-sol

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 8011 (2022) Citer cet article

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L'agriculture de précision (AP) fait partie intégrante de la révolution agricole contemporaine qui se concentre sur l'amélioration de la productivité alimentaire proportionnellement à l'augmentation de la population mondiale tout en minimisant le gaspillage des ressources. Alors que les récentes avancées en matière d'AP, telles que l'intégration de capteurs IoT (Internet des objets), ont considérablement amélioré la surveillance des conditions de terrain pour atteindre des rendements élevés, la présence de batteries et de puces électroniques les rend coûteuses et non biodégradables. Pour remédier à ces limitations, nous avons développé pour la première fois un capteur de transmission radio intelligent entièrement dégradable (DIRTS) qui permet la télédétection de l'eau volumétrique du sous-sol à l'aide d'une surveillance sans fil assistée par drone. Le dispositif consiste en une simple antenne résonnante miniaturisée encapsulée dans un matériau polymère biodégradable de sorte que la fréquence de résonance du dispositif dépend des propriétés diélectriques du sol entourant la structure encapsulée. La structure simple de DIRTS permet des processus de fabrication additive évolutifs utilisant des matériaux biodégradables rentables pour les fabriquer dans une taille miniaturisée, facilitant ainsi leur distribution automatisée dans le sol. Comme preuve de concept, nous présentons l'utilisation de DIRTS dans des conditions de laboratoire et de terrain où les capteurs démontrent la capacité de détecter la teneur en eau volumétrique dans la plage de 3,7 à 23,5 % avec une sensibilité minimale de 9,07 MHz/%. La télédétection des DIRTS peut être réalisée à partir d'une altitude de 40 cm à l'aide de drones pour fournir des performances comparables aux mesures en laboratoire. Une étude systématique de biodégradation révèle que DIRTS peut fournir des lectures stables dans la durée prévue de 1 an avec moins de 4 % de changement de sensibilité avant les signes de dégradation. DIRTS fournit un nouveau tremplin vers l'avancement de l'agriculture de précision tout en minimisant l'empreinte environnementale.

Le premier défi auquel est confrontée l'agriculture mondiale est de produire suffisamment de nourriture pour répondre à la croissance rapide de la population mondiale. On estime que d'ici 2050, la population augmentera de 1,2 milliard, nécessitant une augmentation de 90 % de la demande alimentaire pour répondre à ce besoin1. Bien que l'expansion des installations agricoles soit vitale pour répondre à ces besoins projetés, les défis environnementaux posés par la mauvaise gestion des ressources agricoles, telles que l'eau2, les terres arables3 et les engrais4, sont énormes. Parmi les différentes réserves agricoles, l'eau est l'une des ressources naturelles par excellence nécessaires à une agriculture durable. L'agriculture est le plus grand consommateur d'approvisionnement en eau, 70 % de l'eau douce sur terre étant utilisée pour les cultures5. Cependant, la mauvaise gestion des ressources en eau conduit à des pratiques d'irrigation irrégulières qui engendrent de graves problèmes environnementaux6. La sur-irrigation entraîne la salinisation7, l'alcalinisation8 et l'engorgement9 des terres arables, ainsi que la pollution de l'eau due au lessivage de l'azote10, tandis que la sous-irrigation entraîne un stress de sécheresse élevé de la végétation et un faible rendement des cultures11,12. Le paramètre essentiel pour estimer l'efficacité de l'irrigation est la teneur en eau volumétrique (VWC) au niveau de la zone racinaire des cultures. Des études ont montré que l'optimisation du VWC dans le sol fournit le meilleur rendement des cultures validé par une forte corrélation entre le VWC et le rendement des cultures13.

En plus de l'efficacité de l'irrigation et du rendement des cultures, VWC est un indicateur clé de l'activité microbienne et de la santé des plantes dans le sol14. Le VWC a été identifié comme un biomarqueur important des micro-organismes du sol responsables de la décomposition de la matière organique15, de la fixation de l'azote16 et de la solubilisation du phosphore17. Étant donné que le VWC est un facteur important dans les aspects hydrologiques, biochimiques et économiques de l'agriculture, la surveillance in situ du VWC du sol est essentielle pour améliorer l'efficacité de l'irrigation, le rendement des cultures, la santé du sol et, par la suite, atteindre une productivité alimentaire maximale. Cependant, la plupart des champs agricoles présentent souvent une forte variabilité spatiale de l'humidité du sol en raison des caractéristiques topographiques fluctuantes du terrain, telles que la décomposition de la litière, la composition de la végétation et les pratiques de gestion des sols18. Cette forte hétérogénéité des terres agricoles causée par la variabilité spatiale du sol est un obstacle majeur à une allocation efficace des ressources dans l'ensemble des champs agricoles.

L'agriculture de précision (AP) peut répondre au besoin d'une allocation efficace des ressources en créant une carte des sols de l'ensemble du champ pour surveiller et répartir judicieusement les ressources19. Plusieurs techniques ont été adoptées dans le cadre de l'AP pour surveiller les conditions du sol20. Parmi les différentes approches, les technologies sans fil et de télédétection sont les plus préférées car elles offrent une valeur pratique significative dans les champs agricoles à grande échelle. Les technologies de télédétection de pointe pour l'AP peuvent être classées en approches basées sur l'imagerie et basées sur la détection sans fil. La télédétection utilisant des technologies d'imagerie est basée sur l'application de caméras multispectrales pour collecter des images du champ afin d'évaluer l'humidité du sol et le stress des cultures à l'aide d'instruments aéroportés21. Cependant, les techniques d'imagerie multispectrale sont limitées aux analyses de la couche arable et ne peuvent pas être utilisées pour la mesure de l'humidité du sous-sol. De plus, l'analyse du stress des cultures ne reflète pas entièrement le VWC dans la zone racinaire en raison du retard dans l'absorption d'eau et de la complexité de la corrélation entre le transport d'eau non uniforme présenté par les plantes et le stress hydrique des racines22. Le manque d'accès aux conditions du sous-sol limite les applications des technologies basées sur l'imagerie à la surveillance de la couche arable et de la santé des plantes.

Comme alternative aux technologies basées sur l'imagerie, la détection sans fil utilisant l'Internet des objets (IoT) est apparue comme une solution agricole intelligente pour la surveillance en temps réel du sous-sol et de la zone racine23. La plupart des réseaux IoT fusionnent les normes de communication sans fil existantes avec un ensemble de capteurs électroniques actifs sur le terrain. Bien que l'IoT pour l'AP ait réussi à améliorer la gestion des ressources et la productivité alimentaire, il comporte certains écueils. La plupart des capteurs IoT embarquent des batteries (actives) et des puces électroniques (pucées)24, qui augmentent le coût de fabrication et d'assemblage, et imposent donc une limite au nombre de nœuds pouvant être déployés sur le terrain25. De plus, les capteurs à puce ne sont pas respectueux de l'environnement car la fuite de produits chimiques nocifs, tels que le lithium et le plomb, des batteries26 et des circuits intégrés27 peut polluer le sol ainsi que les plans d'eau après leur obsolescence fonctionnelle après la saison des cultures.

Pour remédier aux inconvénients des capteurs à puce, les capteurs sans fil sans puce ont été largement utilisés comme solution de détection car ils ne nécessitent pas de puces électroniques ou de piles pour fonctionner28. Les capacités de mise en œuvre à faible coût permises par les méthodes de fabrication additive (FA) et les étapes de processus à haut débit qui ne nécessitent pas d'assemblage de composants ont fait des capteurs sans puce un choix courant pour la détection d'humidité peu coûteuse29, la détection de gaz30 et la surveillance de la santé structurelle31. Bien que les capteurs sans puce contournent de nombreux problèmes posés par les technologies de capteurs alternatives utilisées pour l'AP, ils n'ont pas été utilisés pour la surveillance de la santé des sols en raison de certains défis cruciaux pour l'AP. La principale limitation des capteurs sans puce rapportés est que les dimensions des capteurs rendent leur déploiement encombrant, les capteurs de grande taille étant inadaptés à une distribution automatisée dans les champs. Deuxièmement, les capteurs sans puce existants sont principalement constitués de métaux et de polymères non biodégradables, tels que le cuivre et le stratifié de résine époxy renforcée de verre ignifuge (FR4), ce qui peut entraîner une dégradation de la qualité du sol. Troisièmement, alors que la plupart des capteurs sans puce sont testés en laboratoire, leur fiabilité dans des conditions de terrain n'est souvent pas rapportée. Cela nécessite le développement d'un système portable adapté pour tester les capteurs dans les champs agricoles. Enfin, il est essentiel de comprendre la durée de vie et le comportement de dégradation des capteurs biodégradables afin d'estimer leur période de fonctionnement fiable sur le terrain32.

Pour surmonter les défis de la miniaturisation, de la biodégradabilité, de la portabilité et de la fiabilité identifiés dans le développement du réseau de capteurs PA existant, nous démontrons ici un capteur de transmission radio intelligent dégradable (DIRTS). Dans cette étude, la technologie des petites antennes électriques (ESA) a été utilisée conjointement avec des techniques de fabrication additive pour développer des DIRT afin de répondre aux exigences de biodégradabilité et de miniaturisation des capteurs. Une étude systématique des SEEE a été réalisée pour identifier les exigences de taille optimales pour un capteur qui fonctionne dans la plage de fréquences idéale pour la surveillance du sol dans toutes les conditions d'humidité. Par la suite, des matériaux biodégradables et compatibles RF (Radio Fréquence) ont été identifiés pour concevoir et fabriquer des capteurs respectueux de l'environnement. Après identification du matériau, une technique de fabrication additive évolutive a été utilisée pour fabriquer des DIRTS en utilisant l'impression 3D de substrats biodégradables et le traitement au laser de feuilles métalliques biodégradables à dos adhésif. Pour démontrer le fonctionnement des capteurs en laboratoire et sur le terrain, un système de lecture léger et portable a été développé et intégré dans un drone pour des mesures en temps réel. Étant donné que les véhicules aériens ont une application répandue en AP, des mesures de DIRTS basées sur des drones ont été effectuées dans un champ agricole pour illustrer l'applicabilité réelle des capteurs ainsi que l'intégration potentielle du système portable dans la technologie des drones agricoles. Enfin, une approche systématique a été élucidée pour étudier le taux de dégradation des capteurs dans le sol afin d'estimer la durée de vie et le temps de décomposition des capteurs sur le terrain.

Les étiquettes de capteur sans puce ont été conçues pour durer et fonctionner tout au long du cycle agricole qui comprend le semis, la croissance des cultures, la fertilisation et la récolte. Au début de la saison de culture, des sillons de profondeurs appropriées sont créés pour distribuer les étiquettes de capteur le long des graines à l'aide d'un semoir de sorte que chaque graine ait une étiquette de capteur à proximité pour surveiller les paramètres de santé du sol entourant la graine ( Fig. 1a). Une fois qu'un lot d'étiquettes de capteurs est enterré, un drone portant un module de lecture interroge les étiquettes de capteurs en balayant fréquemment le champ pour collecter des informations sur les propriétés du sol (Fig. 1b). Lors du balayage du champ, un signal d'interrogation est envoyé par le module lecteur sur le drone ciblant les balises du capteur et le signal réfléchi par la balise du capteur est collecté. Le pic de résonance sur le spectre du signal réfléchi dépend des conditions du sol et peut être corrélé à des paramètres spécifiques du sol, tels que VWC. Les informations collectées ainsi que l'emplacement de l'étiquette du capteur peuvent être transmises à la station réceptrice à l'aide de passerelles de transmission longue portée. Comme chaque mesure prend moins d'une minute, le drone peut couvrir une grande surface de terrain en quelques heures. Afin de réduire l'impact environnemental des capteurs de sous-sol, les étiquettes des capteurs sont constituées de matériaux biodégradables qui permettent quelques mois à des années de fonctionnement sans dépréciation des performances suivies d'une lente dégradation contrôlée. Le taux de dégradation dépend de divers facteurs, tels que la teneur en humidité et l'activité microbienne dans le sol, qui fluctuent en fonction des conditions météorologiques et des saisons (Fig. 1c). DIRTS, étant une étiquette de capteur biodégradable sans puce, est conçue et fabriquée pour répondre à ces deux exigences : fonctionner de manière fiable tout au long de la saison de récolte et se désintégrer en produits respectueux de l'environnement après sa durée de vie.

Illustration conceptuelle de la chronologie et du fonctionnement des étiquettes de capteur (a) Les étiquettes de capteur sont distribuées dans les champs à l'aide d'un semoir ou d'un distributeur automatique au début de la saison des cultures. (b) Un drone transportant un lecteur RF lit chacune des étiquettes de capteur du réseau pendant la saison des cultures. (c) Après la saison des récoltes, les balises du capteur subissent un processus graduel de biodégradation au cours des saisons suivantes. (d) Configuration du système avec l'antenne du lecteur interrogeant les balises du capteur enfouies dans le sol. La rétrodiffusion maximale est obtenue à la fréquence de résonance, \({f}_{r}\), et \({f}_{r}\) varie en fonction de la sécheresse ou de l'humidité du sol. ( e ) Illustration en coupe transversale de la distribution de capacité dans une structure de lignes sinueuses encapsulée avec des couches de passivation qui forment DIRT. (f) Schéma de circuit équivalent de DIRTS (g) Modèle de champ lointain 3D de DIRTS démontrant la direction maximale du rayonnement le long de l'axe z (h) Schéma en coupe transversale à \(\Phi\)=0 démontrant la dépendance à l'orientation et la direction du lobe principal de DIRT.

Le schéma de la figure 1d illustre le principe de fonctionnement du système. Une étiquette de capteur sans puce consiste en une structure résonnante capable de rétrodiffuser le signal incident tout en incorporant une signature électromagnétique sous forme de résonance dans le signal réfléchi. Lorsque l'antenne du lecteur envoie un signal d'interrogation à l'étiquette du capteur, l'étiquette du capteur rétrodiffuse les signaux avec une amplitude maximale à sa fréquence de résonance. La fréquence de résonance d'une étiquette de capteur sans puce dépend largement de deux paramètres : la géométrie du motif métallique qui forme le résonateur et la constante diélectrique effective du milieu à proximité du résonateur. Pour une étiquette de capteur constituée de lignes microruban, la fréquence de résonance est donnée par l'équation33,

Où \({f}_{r}\) représente la fréquence de résonance ; \(c\), la vitesse de la lumière ; \({L}_{r}\), la longueur du résonateur ; et \({\varepsilon }_{eff}\) la constante diélectrique effective du milieu entourant l'étiquette du capteur. Pour notre application, l'étiquette du capteur est enterrée dans le sol dont la constante diélectrique change en fonction du VWC du sol. Puisque \({\varepsilon }_{eff}\) lorsque le sol est sec est inférieur à \({\varepsilon }_{eff}\) lorsque le sol est humide, \({f}_{r}\) de l'étiquette du capteur est plus élevée dans un sol sec que dans un sol humide.

Pour interroger l'étiquette du capteur à partir d'un drone, une unité de lecture conçue sur mesure qui consiste en une antenne de lecture portable, légère et à faible charge utile a été développée et intégrée au drone. L'antenne de lecteur portable sur le drone fonctionne en mode double polarisation en conjonction avec une étiquette de capteur dépolarisante pour réduire la marge de bruit du spectre \({S}_{21}\) et améliorer la lisibilité du signal rétrodiffusé (Supplémentaire Texte ST1). Pour concevoir un appareil miniaturisé, une structure de lignes sinueuses a été choisie comme étiquette de capteur dépolarisant car elle peut réduire la taille de l'appareil grâce à une technique de pliage. Le schéma en coupe d'une structure de lignes sinueuses est illustré à la Fig. 1e. La distribution de capacité associée à la structure de lignes sinueuses de la figure 1e montre comment la structure peut être utilisée dans une application de détection. La capacité à travers les lignes sinueuses adjacentes forme une capacité distribuée fixe à travers la couche de passivation et est notée \({C}_{p}\). De plus, les lignes de champ électrique traversent le milieu entourant l'étiquette de capteur et forment une capacité variable distribuée notée \({C}_{sens}\), dont la valeur change en fonction des propriétés diélectriques du milieu. L'équivalent électrique de l'étiquette du capteur est illustré à la Fig. 1f. L'inductance (\({L}_{méandre}\)) de la structure de la ligne méandre dépend de la longueur et de la largeur des traces. L'inductance, \({L}_{méandre}\), et la capacité globale, \({C}_{p}+{C}_{sens}\), forment un circuit bouchon qui résonne à \({ f}_{r}\). Puisque \({C}_{sens}\) est la seule variable du circuit, une corrélation peut être obtenue entre \({C}_{sens}\) et \({f}_{r}\), et donc entre \({\varepsilon }_{eff}\) et \({f}_{r}\). La résistance au rayonnement (\({R}_{rad}\)) de la structure dépend de la géométrie de la structure ainsi que de la longueur d'onde de fonctionnement. L'effet de la résistance aux radiations peut être illustré en simulant une structure de lignes sinueuses dans le studio à micro-ondes CST. La figure 1g montre le diagramme de rayonnement en champ lointain d'une structure en méandre avec 10 segments verticaux. Les structures à lignes sinueuses fournissent un diagramme de rayonnement en forme de beignet avec un rayonnement maximal le long de la ligne de visée du centre de la structure et un rayonnement minimal dans la direction latérale. La figure 1h montre le modèle de diffusion lorsque \(\phi\) = 0°. Le motif de diffusion indique que la direction du lobe principal est à \(\theta\) = 0°, qui est le long de la ligne de visée du centre de la structure. Le diagramme de rayonnement obtenu à partir des résultats de la simulation montre la possibilité de lire les balises du capteur à l'aide d'un drone balayant le champ à une altitude raisonnable avec une directivité très élevée dans la plage angulaire de \(\theta\) = 0° à 45° Bien que le l'intensité de rayonnement de la structure de la ligne de méandre dépend de l'orientation, la haute directionnalité de la structure entre 0° et 45° aide à réduire la diaphonie et les interférences tout en mesurant plusieurs balises de capteur à l'aide du drone.

Pour identifier la géométrie et la longueur optimales de l'étiquette du capteur nécessaires pour obtenir une performance efficace dans la gamme de fréquences d'intérêt, des antennes à lignes sinueuses de différentes longueurs ont été étudiées. Les lignes sinueuses sont formées en pliant une ligne microruban34 en un nombre spécifique de segments verticaux (N) de longueur, \(l\), espacés par un espace, \(g\), et court-circuités sur des extrémités alternées (Fig. 2a) . Une plage de valeurs de N a été analysée afin de rendre l'étiquette du capteur effectivement petite et d'obtenir une fréquence de fonctionnement qui offre la profondeur maximale de pénétration des signaux RF. La taille de l'étiquette du capteur était limitée à 2 cm × 2 cm, une dimension typique des capteurs qui peuvent être distribués facilement et automatiquement sur le terrain à l'aide d'un semoir. D'un point de vue pratique de fabrication, la largeur de la structure (\(w\)) et l'écart entre deux segments verticaux (\(g\)) ont été fixés à 1 mm. Enfin, la limite supérieure de la fréquence de fonctionnement a été décidée en fonction de la profondeur de pénétration et a été identifiée à 1,5 GHz35.

Illustration schématique de la structure des méandres et optimisation basée sur la simulation. ( a ) Formation de la structure de la ligne méandre à partir de N = 2 à N = 14 avec des variables d'optimisation indiquant différentes dimensions. (b) Résultats de simulation montrant \({S}_{21(cal)}\) en fonction des tracés de fréquence pour N allant de 2 à 14. (c) Démonstration d'équations empiriques démontrant \({\varepsilon }_{eff} \) en fonction du VWC pour un sol minéral, un sol argileux et un sol sableux. ( d ) Résultats de la simulation pour N = 6 montrant \ ({S} _ {21} \) par rapport aux tracés de fréquence pour diverses valeurs de VWC. (e) Résultats de la simulation pour N = 12 montrant \({S}_{21}\) en fonction des tracés de fréquence pour diverses valeurs de VWC. (f) Valeurs extraites de \({f}_{r}\) obtenues à partir de simulations tracées en fonction de VWC pour N dans la plage de 6 à 12.

Pour répondre à ces contraintes, différentes valeurs de \(N\) allant de 2 à 12 ont été simulées (Texte complémentaire ST2). Les résultats de simulation de la Fig. 2b montrent que la valeur minimale de \(N\) requise pour obtenir \({f}_{r}\) ≤1,5 GHz est de 6. Alors que l'augmentation de \(N\) à partir de 6 fournit une valeur inférieure \({f}_{r}\) et par conséquent, une profondeur de pénétration plus élevée, l'augmentation de \(N\) au-delà de 12 ne produit aucune variation significative de \({f}_{r}\) . Après avoir identifié la plage de \(N\) entre 6 et 12, des balises de capteur avec diverses valeurs de N entre 6 et 12 ont été étudiées pour identifier la conception qui offre la sensibilité maximale aux changements dans le VWC du sol entourant la balise de capteur. Pour simuler le VWC du sol qui varie avec la constante diélectrique du sol, l'équation de Topp 36 a été utilisée, car elle fournit une corrélation entre VWC et \({\varepsilon }_{eff}\) pour le sol trouvé dans les champs agricoles (Fig. 2c, texte supplémentaire ST3). L'équation de Topp peut être écrite comme,

Des simulations ont été réalisées pour étudier l'effet de VWC sur \({f}_{r}\) pour \(N\) de 6 à 12 à l'aide de l'équation de Topp. Comme le montre la figure 2d, l'étiquette de capteur avec N = 6 a démontré un changement moyen de 16,29 % lorsque VWC est passé de 2 à 18 %. Pour le même changement de VWC, N = 12 a démontré un décalage de fréquence accru de 21% (Fig. 2e). Comme le montre la Fig. 2f, parmi diverses valeurs de N allant de 6 à 12, N = 10 fournit la plage de fréquences optimale car il fonctionne à une fréquence centrale d'environ 915 MHz, qui est la fréquence centrale de l'Industrie, Scientifique, Médical (ISM) bande largement utilisée pour les applications commerciales. Comme une structure de ligne sinueuse avec 10 segments verticaux offre une réduction de surface de 25 fois par rapport à une ligne microruban de longueur 10 cm33 qui satisfait la même gamme de fréquences, elle constitue un capteur miniaturisé idéal pour les applications en bande ISM.

Après avoir optimisé la structure de l'étiquette du capteur, des simulations ont été effectuées pour estimer le rayon de la zone de sensibilité de l'étiquette du capteur (Texte supplémentaire ST4 et Fig. S1). Les simulations ont révélé que DIRTS est sensible aux changements de VWC à moins de 1 cm de sa proximité. Une zone de sensibilité localisée de 1 cm permet une large répartition des capteurs sans interférence ni couplage entre eux, ce qui est critique pour l'AP car la distance d'échantillonnage recommandée pour une distribution à grande échelle des capteurs est de 30 m37. Comme DIRTS peut fournir une cartographie haute résolution de l'humidité du sol à travers le champ à l'aide de sa zone de sensibilité localisée, la variabilité spatiale de VWC dans le sol peut être capturée avec précision.

La structure du capteur comprend une trace métallique conductrice encapsulée entre deux couches de matériau polymère biodégradable. Pour parvenir à une fabrication évolutive des capteurs, l'impression 3D38,39 et le traitement laser40,41 ont été largement utilisés dans des études antérieures. Comme le montre la figure 3, dans ce processus, les traces conductrices ont été découpées au laser et ont été encapsulées avec des polymères biodégradables imprimés en 3D. Étant donné que les combinaisons de matériaux les plus couramment utilisées pour les capteurs sans puce, telles que le cuivre sur FR442 et l'aluminium sur PET/papier43, ne sont pas biodégradables, le zinc sur acide polylactique (PLA) est utilisé comme alternative biodégradable. Le zinc a une conductivité de l'ordre de ~ 107 S/m et a un facteur Q plus élevé que d'autres métaux biodégradables, comme le fer, à des fréquences élevées44. De plus, le processus de fabrication du zinc est plus facile en raison de la disponibilité de ruban métallisé qui peut être modelé avec des procédés au laser45. Le PLA a formé le substrat et le super-état et a été fabriqué à l'aide de techniques d'impression 3D (voir Méthodes pour plus de détails). Le PLA est un thermoplastique disponible dans le commerce, largement utilisé dans les appareils électroniques organiques46, les systèmes d'administration de médicaments sans fil47 et les cartes de circuits imprimés48, en raison de sa faible température de fusion, de son faible coût, de sa biodégradabilité et de sa résistance à l'humidité. En conséquence, le PLA peut former un revêtement résistant à l'humidité autour des traces de zinc biodégradables, empêchant ainsi la dégradation des propriétés conductrices du zinc. Les caractéristiques uniques du PLA leur permettent d'être un matériau structurel approprié pour les DIRTS qui sont nécessaires pour maintenir un fonctionnement stable pendant une certaine durée à l'intérieur du champ mais se dégradent progressivement sur une longue période de temps.

(a) Illustration conceptuelle de la fabrication de DIRTS (i) Substrat en PLA imprimé en 3D (ii) Ruban de zinc fixé sur le dessus du substrat en PLA (iii) Découpe au laser de la couche de zinc pour graver un motif de lignes sinueuses (iv) Suppression de l'excès bande de zinc de la surface (v) Structure de la ligne Meander sur le substrat PLA après le retrait de la bande de zinc restante (vi) Impression 3D du superstrat PLA pour passiver l'étiquette du capteur. (b) Images de DIRTS dans ses différentes étapes de fabrication. (c) Images de DIRT qui démontrent (i) une réduction de taille significative et (ii) une portabilité pour les applications sur le terrain.

Pour intégrer le lecteur sur un drone et effectuer des mesures sans fil de l'appareil fabriqué, le système de lecture a été miniaturisé en une unité montable à faible charge utile. L'unité légère conçue sur mesure consistait en un analyseur de réseau vectoriel (VNA) portable connecté à une antenne portable à double polarisation via un amplificateur de puissance (Fig. 4a). La puissance de sortie du port de transmission du VNA a été amplifiée par l'amplificateur de puissance et a été rayonnée à partir de la crête polarisée verticalement de l'antenne portable. La crête polarisée horizontalement de l'antenne a été connectée au port récepteur du VNA pour collecter et analyser les signaux rétrodiffusés de l'étiquette du capteur. Le VNA a communiqué avec un système logiciel personnalisé automatisé avec une interface python pour faciliter la disponibilité à la demande des informations VWC à la station de terrain.

Développement du lecteur sans fil (a) Illustration schématique des différents éléments constitutifs de l'unité de lecture portable conçue sur mesure. (b) Image du système portable mis en œuvre composé de l'antenne, du VNA et de ses accessoires, et du système logiciel.

La version entièrement assemblée de l'unité de lecture miniaturisée conçue sur mesure qui se compose d'un VNA portable, d'un amplificateur de puissance et d'une antenne légère est illustrée à la Fig. 4b. La puissance totale fournie à la crête polarisée verticalement de l'antenne était de 12 dBm. L'antenne connectée à la sortie de l'amplificateur de puissance était une paire d'antennes log-périodiques à polarisation croisée qui pouvait fournir un gain de 9 dBi dans la bande 698–960 MHz couverte par DIRTS comme indiqué dans les simulations et était donc idéal pour nos mesures.

Pour tester les performances des étiquettes de capteur dans un large éventail de conditions de terrain pertinentes, des échantillons de sol avec différentes teneurs en eau volumétriques ont été préparés, comme illustré à la Fig. 5a. Pour les expériences, l'étiquette du capteur a été placée à une profondeur de 5 cm dans l'échantillon de sol (Fig. 5b) car la profondeur de semis optimale pour les petits grains est de 4 à 5 cm. L'échantillon de sol avec l'étiquette du capteur enfouie en dessous a été placé dans la ligne de visée du lecteur pour obtenir des réflexions maximales (Fig. 5c). Les performances du capteur ont été testées dans des conditions de laboratoire à l'aide d'une antenne portable et ont été comparées aux lectures d'une antenne conique fixe pour évaluer l'efficacité du système de lecture portable. Les performances du capteur ont été obtenues à partir du spectre de résonance illustré sous la forme d'un graphique \({S}_{21}\) en fonction de la fréquence, où \({S}_{21}\) est le rapport de la puissance rétrodiffusée reçue par le lecteur à la puissance transmise par le lecteur. Les mesures \({S}_{21}\) ont été calibrées afin d'éliminer le bruit ambiant et \({S}_{21(cal)}\) a été reportée dans les résultats (Voir Méthodes de calibration).

Études expérimentales avec DIRT enfouis dans les échantillons de sol (a) Échantillons de sol avec VWC 4 %, 10 %, 16 % et 20 %. (b) Démonstration de la mise en place de DIRT à une profondeur de 5 cm dans un échantillon de sol. (c) L'antenne portable alignée en centrant l'échantillon pour obtenir un maximum de réflexions. (d) \({S}_{21(cal)}\) en fonction de la fréquence mesurée avec le lecteur portable pour différentes distances de lecture (RD) et VWC démontrant une réduction de \({S}_{21\left(cal \right)}\) en fonction de RD (e) \({S}_{21(cal)}\) en fonction de la fréquence mesurée avec le lecteur portable pour différents VWC lorsque RD = 40 cm montrant un décalage de \( {f}_{r}\) avec VWC. ( f ) Pics de résonance extraits de \ ({S} _ {21 (cal)} \) par rapport aux courbes de fréquence mesurées avec le lecteur portable tracées en fonction de VWC. Les résultats mesurés des expériences en chambre anéchoïque ainsi que les résultats des simulations tracés à des fins de comparaison.

Pour estimer la distance de lecture maximale (RD) de DIRTS, un échantillon de sol sec de VWC = 4% et un échantillon de sol humide de VWC = 20% ont été testés en faisant varier l'élévation du lecteur portable de 10 à 60 cm (Fig. 5d ). Dans les deux conditions de sol, \({f}_{r}\) est resté inchangé car \({f}_{r}\) n'était pas une fonction de RD, comme le montre l'équation. (1). Cependant, dans les deux cas, l'amplitude du pic de résonance réduite de ~ 9 dB lorsque RD a varié de 10 à 60 cm. Compte tenu des pertes potentielles dues au désalignement par rapport au lecteur et aux obstacles sur le chemin, une marge de bruit de sécurité pour la distance de lecture a été définie à - 25 dB. Dans les deux cas, l'amplitude du pic de résonance dépassait la marge de bruit lorsque RD > 40 cm. Étant donné que le signal rétrodiffusé s'est considérablement affaibli en dessous de la marge de bruit, 40 cm ont été définis comme la plage de lecture maximale de l'étiquette du capteur lorsqu'elle est enterrée dans le sol à une profondeur de 5 cm. Étant donné que la période de mesure critique pour la plupart des cultures céréalières correspond aux premières semaines qui consistent en la germination des graines et la croissance des semis, l'interférence causée par les petits semis sera négligeable à une distance de lecture de 40 cm. En plus de la distance de lecture, la sensibilité de l'étiquette du capteur à l'orientation angulaire a été testée en faisant varier \(\theta\) lorsqu'il est placé à RD = 40 cm (Texte supplémentaire ST5). Les résultats ont indiqué que l'orientation angulaire optimale requise pour obtenir une réduction d'amplitude < 3 dB est de 0° à 45° (Fig. S2) corroborant les résultats de simulation obtenus à partir du diagramme de rayonnement de la Fig. 1h.

Après avoir identifié la distance de lecture optimale à 40 cm et la meilleure orientation angulaire à 0°–45°, la réponse de l'étiquette du capteur à des conditions d'humidité variables a été étudiée à l'aide de la configuration de lecteur portable conçue sur mesure de la Fig. 5c. Les mesures de vérité au sol VWC ont été obtenues à partir d'un lecteur Teros 12 et ont été corrélées au \({f}_{r}\) obtenu à partir des mesures du lecteur portable pour développer une courbe calibrée. Comme le montre la figure 5e, lorsque le VWC du sol est passé de 3,67 % à 17,7 %, \({f}_{r}\) a été réduit de 1,015 GHz à 0,794 GHz, indiquant un décalage global de 21,77 %. Un spectre de fréquence discernable a été obtenu jusqu'à 23,5% de VWC. Les pics de résonance obtenus à partir des expériences de sol ont été extraits et tracés sur la figure 5f pour analyser les résultats des simulations, du test de chambre anéchoïque et du test d'antenne portable. Comme le montre la figure 5f, les pics de résonance obtenus pour diverses valeurs de VWC de la chambre anéchoïque démontrent une correspondance étroite avec les lectures des simulations. La figure 5f montre également les résultats du lecteur portable, qui illustrent la même tendance dans les caractéristiques de réduction de fréquence que les simulations et fournissent une correspondance raisonnable avec les simulations.

Pour analyser la sensibilité des DIRT dans le sol, les lectures obtenues à partir des simulations, de l'antenne cornet et de l'antenne portable ont été comparées à l'aide de la Fig. 5f. Dans tous les cas, DIRTS a démontré une sensibilité élevée supérieure à 40 % aux valeurs de VWC inférieures à 6 %. Lorsque le VWC était supérieur à 6 %, une région de faible sensibilité a été atteinte où une sensibilité de 9,21 MHz/%, 8,7 MHz/% et 9,07 MHz/% a été observée à partir des simulations, des lectures d'antenne conique stationnaire et des lectures d'antenne portable, respectivement . Cette étude a confirmé que l'étiquette du capteur offrait des performances comparables en présence d'un lecteur portable ainsi que d'une antenne cornet fixe. De plus, les résultats de la simulation ont permis d'estimer la sensibilité des balises du capteur dans le sol avec une précision raisonnable. Bien que l'antenne cornet puisse fournir des lectures jusqu'à 30% de VWC en raison de son isolation croisée supérieure, elles étaient limitées aux conditions de laboratoire en raison de leur encombrement et de leur lourdeur. L'antenne portable, d'autre part, pouvait couvrir les lectures VWC typiques observées dans les champs agricoles tout en facilitant l'intégration à un drone à faible charge utile et était donc le meilleur choix pour les mesures assistées par drone dans des conditions de terrain.

Pour évaluer la durée de vie globale des étiquettes de capteur, un scénario de test accéléré a été créé en laboratoire avec des enzymes protéases souvent trouvées dans les champs agricoles. Les échantillons expérimentaux ont été exposés à des niveaux élevés d'enzymes protéases pour accélérer le processus de dégradation, tandis que les échantillons témoins ont été exposés au sol pour une dégradation contrôlée. L'enzyme provoque la dégradation hydrolytique de l'encapsulation du PLA par un mécanisme d'érosion en masse qui est similaire au processus de dégradation microbienne du PLA dans le sol. Le comportement de dégradation du PLA a été examiné avec la spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) (voir Méthodes pour plus de détails) et le taux de dégradation a été corrélé à la perte de sensibilité de la fréquence de résonance au VWC à l'aide de mesures sans fil. La structure de la ligne sinueuse de l'étiquette du capteur a été connectée à la sonde de travail par une simple modification (Fig. 6a). Comme la porosité des échantillons mesurée par EIS est le reflet de la dégradation globale du PLA, un modèle simple de Randles a été utilisé pour capturer la résistance des pores, \({R}_{p}\). En mesurant \({R}_{p}\) à l'aide de cette méthode d'analyse en temps réel, les taux de dégradation du PLA ont été obtenus à partir de l'environnement de dégradation du sol (Fig. 6b(i)) et de l'environnement de dégradation accélérée (Fig. 6b(ii)) et ont ensuite été appliqués dans le calcul d'un facteur d'accélération.

Études expérimentales sur la biodégradation des DIRTS dans un environnement de dégradation accélérée et un environnement de sol (a) Illustration conceptuelle des étiquettes de capteur modifiées pour les mesures EIS, la configuration à 3 électrodes pour les mesures EIS et le modèle de Randles utilisé pour l'ajustement d'impédance. (b) Images des montages expérimentaux pour (i) le test de sol et (ii) le test accéléré (c) Parcelles de Nyquist mesurées à différents jours lorsque les balises du capteur étaient dans le sol. ( d ) Parcelles de Nyquist mesurées à différents jours lorsque les balises du capteur se trouvaient dans l'environnement de dégradation accélérée. L'encart présente les motifs en demi-cercle sur les tracés de Nyquist. (e) Valeurs extraites de \({R}_{p}\) en fonction du temps pour l'essai de sol et l'essai accéléré. ( f ) Pics de résonance extraits de mesures RF simultanées tracées en fonction de VWC.

Les mesures EIS ont été analysées à l'aide de tracés de Nyquist qui ont fourni une représentation vectorielle de l'impédance mesurée. Les parcelles de Nyquist obtenues à partir du sol (Fig. 6c) illustrent une ligne droite avec une inclinaison aux basses fréquences, qui augmente du jour 1 au jour 85 suggérant un changement relativement faible de la porosité du PLA dans un environnement à dégradation lente. En revanche, le tracé de Nyquist obtenu à partir de l'environnement de dégradation accélérée au cours de la même période (Fig. 6d) illustre initialement une ligne droite, indiquant un revêtement isolant idéal autour de l'étiquette du capteur. Par la suite, le tracé s'est transformé en un demi-cercle indiquant la formation de pores et l'absorption progressive d'eau, illustrant les différentes étapes de dégradation hydrolytique souvent observées dans les polymères. Parallèlement, pour étudier l'effet de la dégradation sur les caractéristiques RF de l'étiquette du capteur, les étiquettes du capteur ont été retirées de la solution enzymatique lorsqu'une variation significative a été observée dans les tracés de Nyquist, et des tests de sensibilité sans fil ont été effectués pour des VWC allant de 4 à 20 %. Pour identifier l'occurrence d'un événement significatif dans le comportement de dégradation, la variation de \({R}_{p}\) a été suivie dans le temps. Dans les premiers jours du test, le PLA a agi comme une barrière protectrice contre la solution enzymatique, conduisant à un \({R}_{p}\) élevé de l'ordre de 10 s de GΩ dans les deux environnements (Fig. 6e) . Cependant, dans le test accéléré, une dégradation progressive s'est produite dans le polymère au fil du temps, entraînant plus de pores et d'absorption d'eau dans la matrice polymère, ce qui était évident après 55 jours d'immersion. Bien qu'une réduction linéaire de \({R}_{p}\) ait été observée du jour 55 au jour 76 dans l'essai de sol, une forte diminution de 2 ordres de grandeur de \({R}_{p}\) a été observé dans le test accéléré, suggérant une augmentation substantielle de la porosité du PLA. En corollaire, cette baisse de \({R}_{p}\) s'est reflétée dans les mesures de sensibilité sans fil effectuées en tandem, où une diminution considérable de \({f}_{r}\) a été observée entre le jour 55 et le jour 76, entraînant une perte de sensibilité de 4 % à 20 % de VWC (Fig. 6f). La perte de sensibilité peut être attribuée à la propagation de la formation de pores dans le revêtement PLA provoquant une augmentation de l'infiltration d'eau du sol dans les pores à VWC élevé. Dans l'ensemble, la tendance de l'écart de sensibilité correspond à la dégradation progressive dans la phase initiale et à une augmentation ultérieure de la porosité et de l'absorption d'eau dans le polymère observée dans cette étude. Des découvertes similaires par Hakkarainen et al.49 et Maharana T. et al.50, où l'on a observé que la dégradation hydrolytique du PLA se produisait par étapes avec une dégradation lente au stade initial suivie d'une dégradation rapide au stade final, corroborent les résultats démontrés dans notre étude.

Pour obtenir la période fonctionnelle fiable de DIRTS, un facteur d'accélération a été obtenu à partir de la région linéaire de dégradation entre le jour 20 et le jour 55, car les balises du capteur ont démontré un écart de 4 % dans les caractéristiques de sensibilité RF au-delà de cette plage. Un facteur d'accélération de 7,15 a été obtenu en calculant le rapport de dégradation des DIRTS dans l'essai accéléré à celui de l'essai de sol dans la région linéaire, indiquant que la période de fonctionnement fiable de l'étiquette de capteur dans le sol est d'environ 1 an avec une sensibilité écart bien inférieur à 4 %. Pour estimer le temps de dégradation complète du PLA, des études antérieures ont été analysées. Karamanlioglu M. et al.51 ont montré que le taux de biodégradation du PLA était d'environ 0,02 g/an selon la méthode de perte de poids. Au taux de dégradation rapporté par Hakkarainen et al.49 et Karamanlioglu M. et al.51, il a été estimé que les DIRTS subiraient une biodégradation complète en ~ 80 ans. Cependant, en revanche, d'autres polymères couramment utilisés, tels que le PET et l'acrylique52, ont montré un taux de dégradation 30 fois inférieur53, faisant du PLA le choix approprié pour un capteur biodégradable pour les applications au sol.

Enfin, pour inspecter les effets morphologiques de la biodégradation, des images de microscopie électronique à balayage en coupe (SEM) de DIRTS ont été prises après 90 jours d'exposition dans un récipient hermétique scellé (Fig. 7a, d), champ agricole (Fig. 7b, e ) et solution enzymatique (Fig. 7c, f). Une porosité très minime a été observée pour les échantillons qui n'ont pas été exposés à la dégradation enzymatique, alors que les échantillons placés sur le terrain ont démontré des niveaux de porosité relativement plus élevés. Les échantillons placés dans la solution enzymatique, en comparaison, ont démontré une porosité maximale en raison de leur exposition à long terme à un environnement de biodégradation accélérée (Texte supplémentaire ST6 et Fig. S3). La différence de \({R}_{p}\) entre les échantillons placés dans le sol et ceux dans la solution enzymatique a été vérifiée à l'aide d'images SEM.

Images SEM de DIRTS après avoir été enfouies dans divers milieux pendant 3 mois (a) Coupe transversale de DIRTS placée dans un récipient hermétiquement fermé démontrant une formation de pores négligeable après 3 mois (b) Des niveaux de porosité relativement plus élevés observés dans le sol (c) Porosité maximale observée dans un environnement de biodégradation accélérée indiquant le niveau de dégradation le plus élevé. ( d – f ) Images à fort grossissement de DIRTS correspondant aux encarts délimités par des cases blanches dans a, b et c, respectivement. [Barres d'échelle : 5 µm pour (ac) et 1 µm pour (df)].

Les déploiements du système de lecteur portable et du support fixe pour l'antenne sont illustrés à la Fig. 8a (texte supplémentaire ST7). L'antenne portable a été configurée pour mesurer le capteur à deux distances de lecture - 10 cm et 40 cm - comme illustré à la Fig. 8b. Comme le montre la Fig. 8c, lorsque RD est passé de 10 à 40 cm, \({S}_{21(max)}\) a diminué de 8,33 dB le jour 1 et de 9 dB le jour 2 en raison de la perte de trajet, alors que \({f}_{r}\) a démontré un écart négligeable avec RD, confirmant la stabilité de \({f}_{r}\) à différentes élévations du lecteur dans les deux VWC. Les valeurs de \({f}_{r}\) extraites des caractéristiques RF obtenues sur deux jours distincts ont été converties en VWC correspondants à l'aide de la courbe d'étalonnage développée à partir du test de laboratoire, comme illustré à la Fig. 8f. Après conversion, DIRTS a fourni un VWC de 5,2 % (\({f}_{r}\) = 0,963 GHz) et de 8,12 % (\({f}_{r}\)= 0,887 GHz), le jour 1 et jour 2, respectivement. En comparaison, le lecteur de vérité au sol a enregistré 6 % le jour 1 et 9 % le jour 2, offrant une marge d'erreur très faible de < 1 %, validant ainsi la précision de la courbe d'étalonnage pour différentes conditions de terrain.

Études expérimentales sur les DIRT enfouis sur le terrain lorsqu'ils sont interrogés par un lecteur fixe et un lecteur monté sur drone (a) Photographie de l'assemblage du lecteur portable sur le terrain. (b) Photographies de l'antenne portable chargée sur un support fixe démontrant RD = 10 cm et RD = 40 cm. (c) Mesuré \({S}_{21(cal)}\) tracé en fonction de la fréquence pour un VWC de 6 % et 9 % lorsque RD = 10 cm et RD = 40 cm. (d) Photographie de l'antenne montée sur drone planant au-dessus d'une étiquette de capteur. L'encart montre l'étiquette du capteur placée à une profondeur de 5 cm avant de remplir le trou foré. (e) Mesuré \({S}_{21(cal)}\) tracé en fonction de la fréquence enregistrée par le drone à partir d'une altitude d'environ 40 cm pour des VWC de vérité au sol de 6 % et 14,5 %. (f) Comparaison des résultats obtenus à partir du lecteur portable sur le support fixe et le drone par rapport à la courbe d'étalonnage obtenue à partir des tests de laboratoire.

Après avoir validé le fonctionnement des capteurs sur le terrain, l'efficacité du lecteur portable monté sur drone a été testée (Texte complémentaire ST8). L'antenne portable a été chargée sur le fond du drone en la fixant entre les jambes du train d'atterrissage du drone. Le drone a démontré un alignement très stable à une hauteur de 40 cm au-dessus du sol où le capteur était enterré à une profondeur de 5 cm (Fig. 8d). Les données post-traitées des mesures du drone sont illustrées à la Fig. 8e. Dans les mesures assistées par drone, DIRTS a enregistré un VWC de 14,95 % (\({f}_{r}\) = 0,819 GHz) et 7,3 % (\({f}_{r}\)= 0,984 GHz), le jour 1 et le jour 2, respectivement (Fig. 8f). Des mesures simultanées de vérité au sol ont montré un VWC de 14,5 % au jour 1 et de 6 % au jour 2, démontrant un bon accord avec les valeurs obtenues à partir des mesures assistées par drone. Malgré l'utilisation d'un drone volant, une marge d'erreur tolérable de <1,5 % a été obtenue dans la région de haute sensibilité, confirmant l'applicabilité de DIRTS dans les mesures en temps réel.

Enfin, comme considération pratique pour les mesures sur le terrain, certains paramètres environnementaux qui peuvent varier dans les conditions de terrain, tels que la température, le vent et la pression, ont été pris en compte. Bien que la température du sol fluctue généralement entre 10 et 40 °C, la constante diélectrique du PLA montre une sensibilité négligeable à la température dans la plage de 10 à 75 °C aux fréquences GHz54. Le capteur étant enterré à une profondeur de 5 cm, l'influence du vent est insignifiante. Pour les applications quotidiennes sur le terrain, un drone pulvérisateur peut être utilisé pour les mesures de VWC sans contact ainsi que la distribution de pesticides et d'eau, éliminant ainsi la pression du sol causée par les véhicules de terrain massifs. Par conséquent, en combinant des capteurs sans fil sans puce avec une télémétrie assistée par drone, DIRTS peut fonctionner de manière fiable dans des conditions de terrain pendant sa période de fonctionnement afin de mesurer les paramètres du sol tout en étant résilient à d'autres paramètres environnementaux. Dans le cadre de travaux futurs, DIRTS et les techniques d'imagerie multispectrale peuvent être utilisées dans une configuration complémentaire, car DIRTS peut fournir des mesures du sous-sol tandis que l'imagerie multispectrale peut effectuer le balayage de surface du champ ouvrant de nouvelles voies dans l'agriculture de précision assistée par drone.

Le capteur de transmission radio intelligent dégradable (DIRTS) rapporté ici permet une surveillance sans fil et in situ assistée par drone du VWC du sol dans diverses conditions de terrain avec une grande précision. DIRTS est un capteur à faible coût, entièrement biodégradable et hautement miniaturisé qui fusionne l'approche de conception ESA avec des techniques de fabrication additive qui facilitent le traitement au laser de motifs métalliques biodégradables et l'impression 3D de polymères biodégradables. Une plate-forme de simulation basée sur un studio à micro-ondes CST a été utilisée pour optimiser la géométrie des étiquettes de capteur ainsi que pour prédire leur réponse à diverses conditions de VWC dans le sol. Une unité de lecture conçue sur mesure a été développée en intégrant une antenne légère montable à un VNA portable pour effectuer des mesures sur le terrain. Les évaluations de DIRTS ont été menées en les testant avec une antenne cornet dans une chambre anéchoïque sans bruit ainsi qu'avec une unité de lecture portable conçue sur mesure dans un environnement bruyant et les résultats ont validé les résultats de la simulation. Des premières études de terrain réalisées dans un champ agricole avec le système portable en mode stationnaire et le capteur enterré dans le sol ont corroboré le fonctionnement du lecteur ainsi que des capteurs. Une étude de preuve de concept réalisée en montant l'antenne du lecteur portable sur un drone pulvérisateur et en lisant les capteurs enfouis dans le sol pour extraire le VWC du sol a permis de réaliser une démonstration pratique de DIRTS pour les applications de sonorisation assistées par drone. L'étude de biodégradation basée sur l'EIS a démontré la tendance à la dégradation des DIRTS dans le sol et dans une solution enzymatique qui a accéléré l'érosion en masse. Une étude comparative de la résistance des pores des DIRTS lorsqu'ils sont placés dans le sol et la solution enzymatique a permis de prédire le pourcentage de biodégradation dans les années de terrain à partir de maintenant en utilisant des techniques d'extrapolation. Une étude parallèle sur l'écart de sensibilité (VWC vs \({f}_{r}\)) suivie de l'analyse SEM des échantillons a soutenu les résultats de l'étude de biodégradation et validé la fiabilité fonctionnelle de DIRTS. DIRTS étant un appareil qui a démontré une consolidation rigoureuse de la miniaturisation, de la fabrication additive, de la portabilité et de la biodégradabilité, nous envisageons son utilité généralisée dans l'amélioration de la gestion agricole compte tenu de la demande exceptionnelle de capteurs d'AP à faible coût et respectueux de l'environnement. La technologie DIRTS est transférable à d'autres applications, telles que l'emballage alimentaire et la surveillance de la santé humaine, où les capteurs biodégradables de petite taille sont d'une importance cruciale.

Les étapes du processus ont commencé par l'impression 3D de feuilles de PLA à l'aide d'une imprimante 3D Ultimaker. Le noyau d'impression utilisait une buse de 0,4 mm et fonctionnait à une résolution de 0,1 mm. La densité de remplissage du PLA a été fixée à 20 %. La température d'impression et la température de la plaque de construction ont été fixées respectivement à 200 et 60 °C. La feuille de PLA a été conçue pour avoir une taille de 2 cm × 2 cm × 2,5 mm (Fig. 3a(i)). À une vitesse de 70 mm/s, un ensemble de substrats PLA peut être imprimé en 3D en moins d'une heure. Une fois les substrats imprimés en 3D, le ruban de zinc a été coupé à la taille de 2 cm × 2 cm et fixé au substrat PLA (Fig. 3a (ii)). Un graveur laser a été utilisé pour définir un motif de lignes sinueuses sur la couche de zinc (Fig. 3a (iii)). Le ruban de zinc restant sur la couche d'exclusion a été retiré (Fig. 3a (iv) afin de terminer la formation du motif (Fig. 3a (v)). L'imprimante 3D Ultimaker a été utilisée pour extruder le PLA afin de former un superstrat de 2,5 mm d'épaisseur ( Fig. 3a (vi)). L'étiquette du capteur après chaque étape de fabrication - la formation du substrat PLA, la structuration de la couche de zinc et l'extrusion du superstrat PLA - est illustrée à la Fig. 3b. Le capteur entièrement fabriqué pesait 4 g et était compact, léger et de la taille d'une pièce de monnaie (Fig. 3c(i)).La dernière figure (Fig. 3c(ii)) montre l'étiquette du capteur dans un champ agricole.

La configuration de mesure assemblée est illustrée à la Fig. 4b. Un VNA portable disponible dans le commerce de Copper Mountain Technologies a été utilisé pour les mesures. Ce VNA peut transmettre des signaux de 300 kHz à 1,3 GHz avec une résolution de 1 Hz. Bien que le VNA ait pu générer jusqu'à 3 dBm de puissance, le port Tx a été calibré pour générer -10 dBm car l'excès de puissance réfléchie pourrait surcharger le port récepteur du VNA. L'amplificateur de puissance connecté à la sortie du VNA était un bloc de gain RF/IF ADL5911 d'Analog Devices. Le bloc de gain ADL5911 est un amplificateur à large bande qui fournit un gain fixe de 22 dB dans la gamme de fréquences de 30 MHz à 6 GHz. Une puissance totale de 12 dBm a été fournie à la crête polarisée verticalement de l'antenne. Un XPOL-2-5G de Poynting a été connecté à la sortie de l'amplificateur de puissance. XPOL-2-5G est une paire d'antennes log-périodiques à polarisation croisée qui peut fournir un gain de 9 dBi et un VSWR < 2 dans la bande 698–960 MHz.

Les échantillons de sol ont été prélevés sur le terrain et ont été séchés dans un four à ~ 80 °C. Les échantillons ont été broyés et tamisés pour obtenir un mélange homogène de sol sec. Le sol sec a été méthodiquement arrosé d'eau et ensuite soigneusement mélangé. L'échantillon a été plafonné aux niveaux VWC requis à l'aide d'un capteur Teros 12 VWC disponible dans le commerce, qui a servi de lecteur de vérité terrain.

Étant donné que le spectre de résonance se compose de réflexions provenant à la fois de l'étiquette du capteur et du sol, les propriétés de réflexion et d'absorption du sol doivent être annulées pour minimiser le bruit et extraire l'effet de rétrodiffusion de l'étiquette du capteur seul. Pour la réduction du bruit, une étape d'étalonnage a été effectuée pour obtenir \({S}_{21(isolation)}\) en plaçant le même échantillon de sol sans l'étiquette du capteur enfouie dedans. \({S}_{21(tag)}\) a été obtenu à partir des mesures avec l'étiquette du capteur enfouie dans l'échantillon de sol. Le tracé calibré \({S}_{21}\) en fonction de la fréquence a été obtenu en soustrayant les lectures \({S}_{21}\) avec l'étiquette du capteur dans le sol du \({S}_{ 21}\) lectures sans l'étiquette du capteur dans le sol ( \({S}_{21(cal)}={S}_{21(tag)}-{S}_{21(isolation)}\)) .

L'utilisation d'une chambre anéchoïque sans bruit aide à évaluer les performances du capteur dans un environnement avec un minimum d'interférences électromagnétiques et une suppression d'écho maximale, ce qui facilite la comparaison entre les résultats des simulations et les résultats de la chambre anéchoïque. Les tests dans la chambre anéchoïque ont été effectués avec une antenne cornet à double polarisation à quadruple crête ETS Lindgren 3164-10 connectée à un VNA Keysight E5072A.

La couche de zinc de l'étiquette du capteur a été modifiée afin d'obtenir une structure compatible avec les mesures EIS. Chaque extrémité des lignes sinueuses a été prolongée (Fig. 6a) et des fils de cuivre ont été soudés sur les extensions pour établir une connexion à l'équipement EIS. Comme les lignes sinueuses devaient être protégées de la solution enzymatique, la zone de contact a été sécurisée à l'aide d'un revêtement époxy.

Les mesures EIS ont été effectuées dans une configuration à trois électrodes, composée d'une électrode de travail, d'une électrode de référence et d'une contre-électrode. Une tension de petit signal d'amplitude de crête de 100 mV a été appliquée entre l'électrode de travail et l'électrode de référence. Le courant passe de l'électrode de travail à la contre-électrode. Gamry Reference 600 a été utilisé pour effectuer les mesures EIS. Les extensions passivées des lignes sinueuses ont été connectées à l'électrode de travail de Gamry Reference 600. Une électrode à demi-cellule commerciale Thermo Scientific 900,200 Orion Sure-Flow Ag/AgCl a été utilisée comme électrode de référence, et un treillis en acier a été utilisé comme compteur. électrode. La fréquence a été balayée de 0,1 Hz à 10 kHz pour obtenir un spectre d'impédance à partir duquel des tracés de Nyquist ont été extraits.

Dans l'environnement de dégradation accélérée, les étiquettes de capteur ont été conservées dans une solution de protéinase K et de tampon Tris-HCl à 35 ° C55. La protéinase K, extraite du champignon Engyodontium album, a été utilisée dans les études de biodégradation accélérée du PLA et des mélanges de polymères PLA56. Dans l'environnement de dégradation du sol, les étiquettes de capteur ont été conservées dans un sol maintenu à 30 % de VWC.

Les échantillons ont été lyophilisés pendant 24 h pour réduire la distorsion. Par la suite, ils ont été fracturés par congélation pour obtenir des échantillons en coupe transversale. La microscopie électronique à balayage a été réalisée à l'aide d'un Hitachi S-4800 après revêtement Au – Pd (couche de pulvérisation SPI) pour réduire la charge.

Les données à l'appui des conclusions de cette étude sont disponibles auprès des auteurs sur demande raisonnable.

Nations Unies, Département des affaires économiques et sociales, Division de la population (2019). Perspectives de la population mondiale 2019 : Faits saillants.

Levidow, L. et al. Améliorer l'irrigation économe en eau : perspectives et difficultés des pratiques innovantes. Agric. Gestion de l'eau 146, 84–94 (2014).

Article Google Scholar

Gomiero, T. Dégradation des sols, pénurie de terres et sécurité alimentaire : examen d'un défi complexe. Durabilité 8, 281 (2016).

Article Google Scholar

Good, AG & Beatty, PH Fertiliser la nature : une tragédie de l'excès dans les biens communs. PLoS Biol. 9, 8 (2011).

Article CAS Google Scholar

UNESCO., [UNESCO] Organisation des Nations Unies pour l'éducation, la science et la culture. (2001a) Sécurisation de l'approvisionnement alimentaire. Paris.

Cosgrove, WJ & Loucks, DP Gestion de l'eau : défis actuels et futurs et orientations de recherche. Ressource en eau. Rés. 51, 4823–4839 (2015).

Annonces d'article Google Scholar

Thorslund, J. et al. Moteurs d'irrigation courants de la salinisation de l'eau douce dans les bassins fluviaux du monde entier. Nat. Commun. 12, 4232 (2021).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Thomas, DSG & Middleton, NJ Salinisation : nouvelles perspectives sur un problème majeur de désertification. J. Arid Environ. 24, 1 (1993).

Article Google Scholar

Flowers, TJ, Garcia, A. & Koyama, M. Sélection pour la tolérance au sel chez les plantes cultivées - le rôle de la biologie moléculaire. Acta Physiol. Usine. 19, 427-433 (1997).

Article CAS Google Scholar

Mailhol, JC, Ruelle, P. & Nemeth, I. Impact des pratiques de fertilisation sur le lessivage de l'azote sous irrigation. Irrig. Sci. 20, 139-147 (2001).

Article Google Scholar

Liu, L. et al. L'humidité du sol domine le stress de sécheresse sur la production des écosystèmes à l'échelle mondiale. Nat. Commun. 11, 4892 (2020).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Zhang, J. et al. Irrigation durable basée sur la corégulation de l'approvisionnement en eau du sol et de la demande d'évaporation atmosphérique. Nat. Commun. 12, 5549 (2021).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Holzman, ME, Rivas, R. & Piccolo, MC Estimation de l'humidité du sol et de la relation avec le rendement des cultures à l'aide de la température de surface et de l'indice de végétation. Int. J. Appl. Observation de la Terre. Géoinformer. 28, 181-192 (2014).

Annonces d'article Google Scholar

Borowik, A. & Wyszkowska, J. L'humidité du sol en tant que facteur affectant l'activité microbiologique et biochimique du sol. Plante Sol Environ. 62, 250-255 (2016).

Article CAS Google Scholar

Fu, Y. et al. Prédiction de la matière organique du sol à partir d'images de téléphones cellulaires dans des conditions d'humidité du sol variables. Géoderma 361, 114020 (2020).

Article ADS CAS Google Scholar

Rajaramamohan-Rao, V. Fixation de l'azote influencée par la teneur en humidité, le sulfate d'ammonium et les sources organiques dans un sol de paddy. Sol Biol. Biochimie. 8, 445–448 (1976).

Article CAS Google Scholar

Turner, LB & Haygarth, PM Solubilisation du phosphore dans les sols remouillés. Nature 411, 258 (2001).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Western, AW, Grayson, RB, Blöschl, G. & Wilson, DJ Variabilité spatiale de l'humidité du sol et ses implications pour la mise à l'échelle (CRC Press, 2003).

Google Scholar

King, A. Technologie : l'avenir de l'agriculture. Nature 544, S21–S23 (2017).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Walter, A., Finger, R., Huber, R. & Buchmann, N. Agriculture intelligente pour une agriculture durable. Proc. Natl. Acad. Sci. 114, 24 (2017).

Article CAS Google Scholar

Khanal, S., Kushal, KC, Fulton, JP, Shearer, S. & Ozkan, E. Télédétection dans l'agriculture - réalisations, limites et opportunités. Remote Sens. 12, 3783 (2020).

Annonces d'article Google Scholar

Ihuoma, SO & Madramootoo, CA Progrès récents dans la détection du stress hydrique des cultures. Calcul. Électron. Agric. 141, 267-275 (2017).

Article Google Scholar

Bepery, C., Sozol, MSS, Rahman, MM, Alam, MM et Rahman, MN Cadre pour l'Internet des objets dans la surveillance à distance des sols. À la 23e Conférence internationale sur l'informatique et les technologies de l'information (ICCIT) (2020).

Jiang, X., Waimin, JF, Jiang, H., Mousoulis, C., Raghunathan, N., Rahimi R. et Peroulis, D. Réseau de capteurs sans fil utilisant des capteurs de nitrate flexibles pour une agriculture intelligente. En 2019 CAPTEURS IEEE, 1–4. IEEE (2019).

Elijah, O., Rahman, TA, Orikumhi, I., Leow, CY & Hindia, MN Un aperçu de l'Internet des objets (IoT) et de l'analyse des données dans l'agriculture : avantages et défis. IEEE Internet Things J. 5, 3758–3773 (2018).

Article Google Scholar

Kang, DHP, Chen, M. & Ogunseitan, OA Impacts potentiels sur l'environnement et la santé humaine des piles au lithium rechargeables dans les déchets électroniques. Environ. Sci. Technol. 47, 5495-5503 (2013).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Selvamani, V. et al. Structure de cuivre micro/mésoporeuse hiérarchique avec propriété antimicrobienne améliorée par texturation de surface au laser. Adv. Mater. Interfaces 7, 1901890 (2020).

Article CAS Google Scholar

Brinker, KR, Vaccaro, M. & Zoughi, R. Étiquette RFID sans puce adaptable aux applications : méthodologie de conception, métriques et mesures. IEEE Trans. Instrument. Mes. 69, 3882–3895 (2019).

Article PubMed PubMed Central Google Scholar

Amin, EM, Bhuiyan, MS, Karmakar, NC et Winther-Jensen, B. Développement d'un capteur d'humidité RFID sans puce imprimable à faible coût. IEEE Sens. J. 14, 140–149 (2014).

Article ADS CAS Google Scholar

Vena, A., Sydänheimo, L., Tentzeris, MM et Ukkonen, L. Un nouveau capteur RFID sans puce à base de nanotubes de carbone imprimé à jet d'encre pour la détection de gaz. Conférence européenne sur les micro-ondes 2013, 9-12 (2013).

Brinker, K., Case, A. et Al Qaseer, MT, Capteur micro-ondes bistatique pour l'inspection composite in situ et la surveillance de la santé structurelle. En 2021 IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC), 1–6 (2021).

Waimin, J. et al. Évaluation non invasive de l'activité microbienne en surveillant en temps réel la dégradation de l'acétate de cellulose via une mesure d'impédance électrochimique. Sens. Actionneurs Phys. 321, 112543 (2021).

Article CAS Google Scholar

Gopalakrishnan, S. et al. Balise de capteur sans fil sans pile pour la surveillance de l'humidité du sous-sol. IEEE Sens. J. 21, 6071–6082 (2021).

Article ADS CAS Google Scholar

Warnagiris, TJ & Minardo, TJ Performance d'une ligne sinueuse en tant qu'antenne émettrice électriquement petite. IEEE Trans. Antennes Propag. 46, 1797–1801 (1998).

Annonces d'article Google Scholar

Behari, J. Microwave diélectrique bahavor des sols humides (Springer, 2005).

Réserver Google Scholar

Topp, GC, Davis, JL & Annan, AP Détermination électromagnétique de la teneur en eau du sol : mesures dans les lignes de transmission coaxiales. Ressource en eau. Rés. 16, 574-582 (1980).

Annonces d'article Google Scholar

Zhang, M. et al. Variabilité temporelle et spatiale de l'humidité du sol basée sur WSN. Mathématiques. Calcul. Modèle. 58, 826–833 (2013).

Article Google Scholar

Nejati, S. et al. Petite capsule de prélèvement intestinal pour la détection et la gestion des maladies inflammatoires de l'intestin. Puce de laboratoire 22, 57–70 (2022).

Article CAS Google Scholar

Waimin, JF et al. Capsule intelligente pour le prélèvement non invasif et l'étude du microbiome gastro-intestinal. RSC Adv. 10, 16313–16322 (2020).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Sedaghat, S. et al. Formation de CuxO atmosphérique induite par laser sur la surface du cuivre avec des performances électrochimiques améliorées pour la détection non enzymatique du glucose. J. Mater. Chim. C 9, 14997-15010 (2021).

Article CAS Google Scholar

Nejati, S. et al. Fonctionnalisation laser des membranes de carbone pour une immobilisation efficace des nanoparticules d'argent antimicrobiennes. J. Environ. Chim. Ing. 8, 104109 (2020).

Article CAS Google Scholar

Zareei, A. et al. Pâte bimodale cuivre-argent hautement conductrice pour l'électronique imprimée à faible coût. ACS Appl. Électron. Mater. 3(8), 3352–3364 (2021).

Article CAS Google Scholar

Gopalakrishnan, S. et al. Capteur d'humidité sans fil pour emballage intelligent via un motif induit par laser en une étape et la formation de nanoparticules sur du papier métallisé. Adv. Électron. Mater. (2022).

Katarivas Levy, G., Goldman, J. & Aghion, E. Les perspectives du zinc en tant que matériau structurel pour les implants biodégradables - un article de synthèse. Métaux 7, 402 (2017).

Article CAS Google Scholar

Sedaghat, S. et al. Oxyde de nickel mésoporeux induit par laser en tant que capteur de glucose non enzymatique hautement sensible. ACS Appl. Nano-matière. 3, 5260–5270 (2020).

Article CAS Google Scholar

Mattana, G. et al. Acide polylactique en tant que matériau biodégradable pour les appareils électroniques organiques entièrement traités en solution. Org. Électron. 17, 77–86 (2015).

Article CAS Google Scholar

Lee, J. et al. Dispositif sans fil flexible, collant et biodégradable pour l'administration de médicaments aux tumeurs cérébrales. Nat. Commun. 10, 5205 (2019).

Article ADS PubMed PubMed Central CAS Google Scholar

Géczy, A. et al., Tests de dépôt de couche conductrice et de pelage sur des cartes de circuits imprimés biodégradables. En 2012 IEEE 18e (SIITME), 139-142 (2012).

Hakkarainen, M., Ann-Christine, A. & Karlsson, S. Pertes de poids et changements de poids moléculaire corrélés à l'évolution des hydroxyacides dans la dégradation in vivo simulée d'homo et de copolymères de PLA et de PGA. Polym. Dégrad. Poignarder. 53, 283–291 (1996).

Article Google Scholar

Maharana, T., Mohanty, B. & Negi, YS Polycondensation fondue-solide de l'acide lactique et sa biodégradabilité. Programme. Polym. Sci. 34, 99–124 (2009).

Article CAS Google Scholar

Karamanlioglu, M. & Robson, GD L'influence des facteurs biotiques et abiotiques sur le taux de dégradation des coupons d'acide poly (lactique) (PLA) enfouis dans le compost et le sol. Polym. Dégrad. Poignarder. 98, 2063-2071 (2013).

Article CAS Google Scholar

Zareei, A. et al. Une plate-forme ultrasonique de laboratoire sur puce pour l'évaluation en temps réel et non destructive de la rigidité de la matrice extracellulaire. Puce de laboratoire 20, 778–788 (2020).

Article CAS PubMed Google Scholar

Janczak, K., Hrynkiewicz, K., Znajewska, Z. & Dąbrowska, G. Utilisation de micro-organismes de la rhizosphère dans la biodégradation des polymères PLA et PET dans le sol de compost. Int. Biodétérioration. Biodégrad. 130, 65–75 (2018).

Article CAS Google Scholar

Dichtl, C., Sippel, P. & Krohns, S. Propriétés diélectriques de l'acide polylactique imprimé en 3D. Adv. Mater. Sci. Ing. (2017).

Yamashita, K., Kikkawa, Y., Kurokawa, K. & Doi, Y. Dégradation enzymatique du film de poly (L-lactide) par la protéinase K : microbalance à cristaux de quartz et étude par microscopie à force atomique. Biomacromol 6, 850–857 (2005).

Article CAS Google Scholar

Hu, X., Su, T., Li, P. & Wang, Z. Modification du mélange de PBS/PLA et sa dégradation enzymatique. Polym. Taureau. 75, 533-546 (2018).

Article CAS Google Scholar

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L'auteur tient à remercier le professeur Pedro Irazoqui (chef associé du génie biomédical, Université Purdue, États-Unis) pour nous avoir fourni l'installation de chambre anéchoïque. Les auteurs remercient John Scott, coordonnateur de la vulgarisation agricole, Wabash Heartland Innovation Network pour son soutien dans les mesures par drone. Les auteurs tiennent également à souligner le soutien de l'École de génie électrique et de génie informatique et de l'École de génie des matériaux de l'Université Purdue.

École de génie électrique et informatique, Université Purdue, West Lafayette, IN, 47907, États-Unis

Sarath Gopalakrishnan, Ali Shakouri et Rahim Rahimi

École de génie des matériaux, Université Purdue, West Lafayette, IN, 47907, États-Unis

José Waimin, Amin Zareei, Sotoudeh Sedaghat et Rahim Rahimi

Birck Nanotechnology Center, Université Purdue, West Lafayette, IN, 47907, États-Unis

Sarath Gopalakrishnan, Jose Waimin, Amin Zareei, Sotoudeh Sedaghat, Nithin Raghunathan, Ali Shakouri et Rahim Rahimi

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Recherche conçue par SG, AS et RR ; SG, JW, AZ et SS ont effectué des recherches ; NR a fourni des conseils et une assistance sur les mesures sans fil ; SG, JW, AZ, SS, AS et RR ont analysé les données ; et SG, JW, AZ et RR ont rédigé l'article.

Correspondance à Rahim Rahimi.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Gopalakrishnan, S., Waimin, J., Zareei, A. et al. Un capteur sans puce biodégradable pour la surveillance sans fil de la santé du sous-sol. Sci Rep 12, 8011 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-12162-z

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Reçu : 23 janvier 2022

Accepté : 25 avril 2022

Publié: 14 mai 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-12162-z

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