ワイヤレスで下土の状態をモニタリングするための生分解性チップレスセンサー

Scientific Reports volume 12、記事番号: 8011 (2022) この記事を引用

4733 アクセス

10 件の引用

5 オルトメトリック

メトリクスの詳細

精密農業（PA）は、資源の無駄を最小限に抑えながら、世界人口の増加に比例して食料生産性を向上させることに焦点を当てた、現代の農業革命の不可欠な要素です。 IoT (モノのインターネット) センサーの統合など、PA の最近の進歩により、圃場状況の監視が大幅に改善され、高い収量が達成されていますが、バッテリーや電子チップの存在により、それらは高価で非生分解性となっています。 これらの制限に対処するために、私たちは初めて、ドローン支援無線モニタリングを使用して地下水の体積測定をリモートセンシングできる、完全に分解可能なインテリジェント無線送信センサー（DIRTS）を開発しました。 このデバイスは、生分解性ポリマー材料でカプセル化された単純な小型共振アンテナで構成されており、デバイスの共振周波数はカプセル化された構造を囲む土壌の誘電特性に依存します。 DIRTS のシンプルな構造により、コスト効率の高い生分解性材料を使用して小型サイズで製造する拡張性の高い積層造形プロセスが可能になり、土壌中での自動配布が容易になります。 概念実証として、センサーが 9.07 MHz/% の最小感度で 3.7 ～ 23.5% の範囲の体積水分含有量を検出する能力を実証する実験室および現場条件での DIRTS の使用を紹介します。 DIRTS のリモート センシングは、ドローンを使用して高度 40 cm から実現でき、実験室での測定と同等のパフォーマンスを提供します。 系統的な生分解研究により、DIRTS は、分解の兆候が現れる前の感度の変化が 4% 未満で、予想される 1 年間の期間内で安定した測定値を提供できることが明らかになりました。 DIRTS は、環境フットプリントを最小限に抑えながら、精密農業の進歩に向けた新たな足がかりを提供します。

世界の農業が直面する最初の、そして継続的な課題は、世界中で急速に増加する人口に対応できる十分な食料を生産することです。 2050 年までに人口は 12 億人増加すると推定されており、このニーズを満たすには食料需要の 90% 増加が必要となります1。 この予想される需要を満たすには農業施設の拡大が不可欠ですが、水2、耕地3、肥料4などの農業資源の不適切な管理によってもたらされる環境問題は甚大です。 さまざまな農業保護区の中でも、水は持続可能な農業に必要な典型的な天然資源の 1 つです。 農業は水供給の最大の消費者であり、地球上の淡水の 70% が作物の栽培に使用されています5。 しかし、水資源の管理が不十分であると、不規則な灌漑が行われ、深刻な環境問題が引き起こされます6。 過剰な灌漑は、耕地の塩類化7、アルカリ化8、浸水9、窒素浸出10による水質汚染を引き起こす一方、灌漑不足は、植物の高い乾燥ストレスと作物の収量低下につながります11,12。 灌漑の効率を見積もる際に重要なパラメータは、作物の根域の体積水分含量 (VWC) です。 研究では、土壌中の VWC を最適化すると、VWC と作物収量の間の強い相関関係によって検証された最高の作物収量が得られることが示されています 13。

灌漑効率と作物の収量に加えて、VWC は土壌内の微生物の活動と植物の健康状態を示す重要な指標です14。 VWC は、有機物の分解 15、窒素固定 16、リンの可溶化 17 を担う土壌微生物の重要なバイオマーカーとして特定されています。 VWC は農業の水文学的、生化学的、および経済的側面において重要な要素であるため、灌漑効率、作物収量、土壌の健康状態を改善し、ひいては最大の食糧生産性を達成するには、土壌の VWC をその場でモニタリングすることが不可欠です。 しかし、ほとんどの農地では、落葉分解、植生組成、土壌管理方法などの地形的地形属性の変動により、土壌水分の空間的変動が大きいことがよくあります18。 土壌の空間的変動によって引き起こされるこの農地の高度な不均一性は、農地全体で効率的な資源配分を達成する上での大きな障害となっています。

精密農業（PA）は、圃場全体の土壌マップを作成して資源を監視し、賢明に分配することで、効率的な資源配分のニーズに対処できます19。 土壌状態を監視するために PA の一部としていくつかの技術が採用されています20。 さまざまなアプローチの中でも、大規模農業分野で大きな実用的価値を提供するワイヤレスおよびリモート センシング技術が最も好まれています。 PA 用の最先端のリモート センシング テクノロジーは、イメージング ベースのアプローチとワイヤレス センシング ベースのアプローチに分類できます。 画像技術を使用したリモートセンシングは、航空機搭載機器を使用して土壌水分と作物ストレスを評価するために圃場の画像を収集するマルチスペクトルカメラの応用に基づいています21。 ただし、マルチスペクトルイメージング技術は表土の分析に限定されており、下層土壌の水分測定には使用できません。 さらに、作物ストレス分析は、水分摂取の時間遅延と、植物が示す不均一な水輸送と根の水ストレスとの相関関係の複雑さのため、根域の VWC を完全には反映していません 22。 下層土壌の状態を把握できないため、イメージングベースの技術を表土や植物の健康状態のモニタリングに適用することは制限されています。

画像ベースの技術に代わるものとして、モノのインターネット (IoT) を使用したワイヤレス センシングが、下層土壌と根域をリアルタイムで監視するためのスマート農業ソリューションとして登場しました 23。 ほとんどの IoT ネットワークは、既存の無線通信規格と現場の一連のアクティブ電子センサーを統合しています。 PA 向け IoT はリソース管理と食品生産性の向上に成功していますが、いくつかの落とし穴もあります。 ほとんどの IoT センサーには、バッテリー (アクティブ) と電子チップ (チップ化) が搭載されています 24。これにより、製造と組み立てのコストが増加し、そのため、現場に導入できるノードの数に制限が生じます 25。 さらに、チップ付きセンサーは、バッテリー 26 や IC 27 からのリチウムや鉛などの有害な化学物質の漏洩により、作物の季節後に機能が落ちた後に土壌や水域を汚染する可能性があるため、環境に優しいとは言えません。

チップ付きセンサーの欠点に対処するために、機能するために電子チップやバッテリーを必要としないチップレス無線センサーがセンシング ソリューションとして広く使用されています28。 積層造形（AM）法とコンポーネントの組み立てを必要としない高スループットのプロセスステップによって可能になる低コストの実装機能により、チップレスセンサーは、安価な湿度センシング29、ガス検出30、構造健全性モニタリング31に一般的な選択肢となっています。 チップレス センサーは、PA に使用される代替センサー技術によってもたらされる多くの問題を回避しますが、PA にとって重要な特定の課題があるため、土壌健全性の監視には使用されていません。 報告されているチップレス センサーの主な制限は、大型センサーは現場での自動配布には適さないため、センサーの寸法により展開が面倒になることです。 第二に、既存のチップレスセンサーはほとんどが銅や難燃性ガラス強化エポキシ樹脂積層板（FR4）などの非生分解性金属やポリマーでできており、土壌の質の劣化を引き起こす可能性があります。 第三に、ほとんどのチップレス センサーは研究室でテストされていますが、現場条件での信頼性は報告されていないことがよくあります。 これには、農業分野でのセンサーのテストに適したポータブル システムの開発が必要です。 最後に、現場での信頼できる機能期間を推定するには、生分解性センサーの寿命と分解挙動を理解することが重要です32。

既存の PA センサー ネットワーク開発で特定された小型化、生分解性、携帯性、信頼性の課題を克服するために、ここでは分解性インテリジェント無線送信センサー (DIRTS) を実証します。 この研究では、センサーの生分解性と小型化の要件に対処するために、電気的小型アンテナ (ESA) 技術を積層造形技術と組み合わせて DIRTS を開発しました。 ESA の体系的な研究は、あらゆる水分条件における土壌モニタリングに理想的な周波数範囲で動作するセンサーの最適なサイズ要件を特定するために実行されました。 その後、環境に優しいセンサーを設計および製造するために、生分解性で RF (無線周波数) 互換の材料が特定されました。 材料を特定した後、生分解性基板の 3D プリンティングと接着剤で裏打ちされた生分解性金属シートのレーザー加工を使用して、スケーラブルな積層造形技術を使用して DIRTS を製造しました。 研究室と現場の両方の条件でセンサーの動作を実証するために、軽量でポータブルな読み取りシステムが開発され、リアルタイム測定用のドローンに統合されました。 ペンシルベニア州では航空機が広く普及しているため、ドローンベースの DIRTS 測定が農業分野で実施され、センサーの実際の適用可能性と、ポータブル システムの農業用ドローン技術への統合の可能性を実証しました。 最後に、現場でのセンサーの寿命と分解時間を推定するために、土壌中のセンサーの劣化速度を研究する体系的なアプローチが解明されました。

チップレス センサー タグは、種子の播種、作物の成長、施肥、収穫からなる農業サイクルを通じて耐えて動作するように設計されています。 作物の季節の初めに、種子プランターの助けを借りて種子の横にセンサータグを配布するために適切な深さの溝が作成され、各種子の近くにセンサータグが配置され、種子の周囲の土壌の健康パラメーターを監視します（図1a)。 センサータグのバッチが埋められると、リーダーモジュールを搭載したドローンが頻繁に圃場をスキャンしてセンサータグに問い合わせを行い、土壌特性に関する情報を収集します（図1b）。 フィールドをスキャンしている間、センサー タグをターゲットとするドローンのリーダー モジュールによって質問信号が送信され、センサー タグからの反射信号が収集されます。 反射信号スペクトルの共鳴ピークは土壌の状態に依存し、VWC などの特定の土壌パラメーターと相関させることができます。 収集された情報とセンサータグの位置は、長距離伝送ゲートウェイを使用して受信ステーションに送信できます。 各測定にかかる時間は 1 分未満であるため、ドローンは数時間で広範囲の土地をカバーできます。 土下センサーの環境への影響を軽減するために、センサー タグは生分解性素材で作られており、性能が低下することなく数か月から数年間動作し、その後ゆっくりと制御された劣化が続きます。 分解速度は、土壌中の水分含有量や微生物の活動などのさまざまな要因に依存し、気象パターンや季節によって変動します（図1c）。 DIRTS は生分解性のチップレス センサー タグであり、作物の季節を通して確実に機能し、耐用年数が経過すると環境に優しい製品に分解するという 2 つの要件を満たすように設計および製造されています。

タイムラインとセンサー タグの動作の概念図 (a) センサー タグは、収穫期の開始時に播種機または自動ディスペンサーを使用して圃場に配布されます。 (b) RF リーダーを搭載したドローンが作物の季節にネットワーク内の各センサー タグを読み取ります。 (c) 作物の季節が終わると、センサー タグは次の季節を通して段階的な生分解プロセスを受けます。 (d) リーダーアンテナが土壌に埋められたセンサータグに問い合わせるシステム構成。 最大の後方散乱は共振周波数 \({f}_{r}\) で得られ、\({f}_{r}\) は土壌の乾燥または湿潤に応じて変化します。 (e) DIRTSを形成するパッシベーション層でカプセル化されたメアンダライン構造内の静電容量分布の断面図。 (f) DIRTS の等価回路図 (g) Z 軸に沿った放射の最大方向を示す DIRTS の 3D ファーフィールド パターン (h) 方向依存性を示す \(\Phi\)=0 での断面図DIRTS のメインローブの方向。

図 1d の回路図は、システムの動作原理を示しています。 チップレス センサー タグは、反射信号に共鳴の形で電磁署名を埋め込みながら、入射信号を後方散乱できる共振構造で構成されています。 リーダーのアンテナがセンサー タグに質問信号を送信すると、センサー タグはその共振周波数で最大振幅の信号を後方散乱します。 チップレス センサー タグの共振周波数は、共振器を形成する金属パターンの形状と共振器付近の媒体の実効誘電率という 2 つのパラメーターに大きく依存します。 マイクロストリップラインで作られたセンサータグの場合、共振周波数は式33で与えられます。

ここで、 \({f}_{r}\) は共振周波数を表します。 \(c\)、光の速度。 \({L}_{r}\)、共振器の長さ。 \({\varepsilon }_{eff}\) はセンサー タグの周囲の媒体の実効誘電率です。 私たちのアプリケーションでは、センサー タグは土壌の VWC に基づいて変化する誘電率が変化する土壌に埋め込まれます。 土壌が乾燥しているときの \({\varepsilon }_{eff}\) は、土壌が湿っているときの \({\varepsilon }_{eff}\) よりも低いため、 \({f}_{r}\)センサータグの値は、湿った土壌よりも乾燥した土壌の方が高くなります。

ドローンからセンサー タグに問い合わせるために、低ペイロードで軽量のポータブル リーダー アンテナで構成されるカスタム設計の読み取りユニットが開発され、ドローンに統合されました。 ドローンのポータブル リーダー アンテナは、偏光解消センサー タグと組み合わせて二重偏波モードで動作し、\({S}_{21}\) スペクトルのノイズ マージンを削減し、後方散乱信号の可読性を向上させます (補足)テキスト ST1)。 小型デバイスを設計するために、折り畳み技術によってデバイスのサイズを縮小できるメアンダライン構造が偏光解消センサータグとして選択されました。 メアンダライン構造の断面図を図 1e に示します。 図1eの蛇行ライン構造に関連する静電容量分布は、この構造がセンシング用途でどのように使用できるかを示しています。 隣接する蛇行ライン間の静電容量は、パッシベーション層を介して固定の分布静電容量を形成し、\({C}_{p}\) と表されます。 さらに、電力線はセンサー タグの周囲の媒体を横切り、\({C}_{sense}\) で示される分布可変容量を形成します。その値は媒体の誘電特性に基づいて変化します。 センサータグの電気的等価物を図 1f に示します。 メアンダライン構造のインダクタンス (\({L}_{meander}\)) は、トレースの長さと幅に依存します。 インダクタンス \({L}_{meander}\) と全体の静電容量 \({C}_{p}+{C}_{sense}\) は、 \({ f}_{r}\)。 \({C}_{sense}\) が回路内の唯一の変数であるため、\({C}_{sense}\) と \({f}_{r}\) の間の相関関係を得ることができます。したがって、 \({\varepsilon }_{eff}\) と \({f}_{r}\) の間になります。 構造の放射線抵抗 (\({R}_{rad}\)) は、構造の形状と動作波長に依存します。 放射抵抗の影響は、CST マイクロ波スタジオで蛇行ライン構造をシミュレートすることで説明できます。 図 1g は、10 個の垂直セグメントを持つ蛇行構造の遠方界放射パターンを示しています。 メアンダライン構造は、構造の中心の視線に沿った最大の放射と横方向の最小の放射を備えたドーナツ型の放射パターンを提供します。 図 1h は \(\phi\) =0° の場合の散乱パターンを示しています。 散乱パターンは、メイン ローブの方向が \(\theta\) = 0° にあり、構造の中心の視線に沿っていることを示しています。 シミュレーション結果から得られた放射パターンは、\(\theta\) = 0° ～ 45° の角度範囲で非常に高い指向性を備えた妥当な高度でフィールド上をスキャンするドローンを使用してセンサー タグを読み取る可能性を示しています。メアンダライン構造の放射強度は方向に依存しますが、0°から45°の間の構造の高い指向性は、ドローンを使用して複数のセンサータグを測定する際のクロストークと干渉の低減に役立ちます。

対象の周波数範囲内で効果的な性能を達成するために必要なセンサー タグの最適な形状と長さを特定するために、さまざまな長さのメアンダ ライン アンテナが調査されました。 蛇行線は、マイクロストリップ線路 34 を、長さ \(l\) の特定の数の垂直セグメント (N) に折り畳むことによって形成され、ギャップ \(g\) で離間され、交互の端で短絡されます (図 2a)。 。 センサータグを効果的に小さくし、RF 信号の侵入深さを最大にする動作周波数を得るために、N の値の範囲が分析されました。 センサー タグのサイズは 2 cm × 2 cm に制限されており、これは種子プランターを使用して圃場に簡単かつ自動的に配布できるセンサーの一般的な寸法です。 実際の製造の観点から、構造の幅 (\(w\)) と 2 つの垂直セグメント間のギャップ (\(g\)) は 1 mm に固定されました。 最終的に、動作周波数の上限は侵入深さに基づいて決定され、1.5 GHz と特定されました35。

ミアンダライン構造とシミュレーションベースの最適化の概略図。 (a) さまざまな次元を示す最適化変数を使用した、N = 2 から N = 14 までの蛇行ライン構造の形成。 (b) \({S}_{21(cal)}\) 対 N の範囲が 2 ～ 14 の周波数プロットを示すシミュレーション結果。 (c) \({\varepsilon }_{eff} を示す経験式の実証\) 鉱物土壌、粘土土壌、砂質土壌の VWC の機能として。 (d) N = 6 のシミュレーション結果。さまざまな VWC 値に対する \({S}_{21}\) 対周波数のプロットを示しています。 (e) N = 12 のシミュレーション結果。さまざまな VWC 値の \({S}_{21}\) 対周波数プロットを示しています。 (f) 6 から 12 の範囲の N の VWC の関数としてプロットされたシミュレーションから得られた \({f}_{r}\) の抽出値。

これらの制限を満たすために、2 から 12 までのさまざまな \(N\) の値がシミュレートされました (補足テキスト ST2)。 図2bのシミュレーション結果は、\({f}_{r}\) ≤1.5 GHzを得るために必要な\(N\)の最小値が6であることを示しています。 \(N\)を6から増やすと、より低い値が得られます。 \({f}_{r}\) の結果、侵入深さがより深くなり、 \(N\) を 12 を超えて増加しても、 \({f}_{r}\) に大きな変化は生じません。 \(N\) の範囲を 6 ～ 12 と特定した後、6 ～ 12 の間のさまざまな N 値を持つセンサー タグを調査し、センサー タグの周囲の土壌の VWC の変化に対して最大の感度を提供する設計を特定しました。 土壌の誘電率によって変化する土壌の VWC をシミュレーションするには、農地に見られる土壌の VWC と \({\varepsilon }_{eff}\) との相関関係が得られる Topp 方程式 36 を使用しました。 (図 2c、補足テキスト ST3)。 Topp 方程式は次のように書くことができます。

Topp 方程式を利用して、\(N\) が 6 から 12 までの場合の \({f}_{r}\) に対する VWC の効果を調べるためにシミュレーションが実行されました。 図2dに示すように、N = 6のセンサータグは、VWCが2から18%に変化したとき、平均16.29%の変化を示しました。 VWC の同じ変化について、N = 12 は 21% の周波数シフトの増加を示しました (図 2e)。 図2fに示すように、6から12の範囲のNのさまざまな値のうち、N = 10は、産業、科学、医療の中心周波数である〜915 MHzの中心周波数で動作するため、最適な周波数範囲を提供します。 (ISM) 帯域は商用アプリケーションに広く使用されています。 垂直セグメント10本のメアンダ線路構造により、同じ周波数範囲を満たす長さ10cm33のマイクロストリップ線路と比較して面積が25倍減少するため、ISM帯域アプリケーションに最適な小型センサを構成します。

センサータグの構造を最適化した後、センサータグの感度ゾーンの半径を推定するためにシミュレーションが実行されました（補足テキストST4および図S1）。 シミュレーションにより、DIRTS はその近接 1 cm 以内の VWC の変化に敏感であることが明らかになりました。 1 cm の局所的な感度ゾーンにより、センサー間の干渉やカップリングを発生させずにセンサーを広範囲に分散できます。これは、センサーの大規模分散の推奨サンプリング距離が 30 m37 であるため、PA にとって重要です。 DIRTS は、局所的な感度ゾーンを利用して圃場全体の土壌水分の高解像度マッピングを提供できるため、土壌内の VWC の空間変動を正確に捉えることができます。

センサーの構造は、生分解性ポリマー材料の 2 層の間に封入された導電性金属トレースで構成されています。 センサーのスケーラブルな製造を実現するために、これまでの研究では 3D プリンティング 38,39 とレーザー加工 40,41 が広く採用されてきました。 図 3 に示すように、このプロセスでは、導電性トレースがレーザーで切断され、3D プリントされた生分解性ポリマーでカプセル化されました。 FR442 上の銅や PET/紙 43 上のアルミニウムなど、チップレス センサーに最も一般的に使用される材料の組み合わせは生分解性ではないため、ポリ乳酸 (PLA) 上の亜鉛が生分解性の代替品として使用されます。 亜鉛は約 107 S/m の導電率を持ち、高周波では鉄などの他の生分解性金属よりも高い Q 値を持ちます 44。 さらに、レーザープロセスでパターン化できる金属化テープが利用できるため、亜鉛の製造プロセスが容易になります45。 PLA は基板とスーパーステートを形成し、3D プリンティング技術を利用して製造されました (詳細については「方法」を参照)。 PLA は市販の熱可塑性プラスチックであり、その低い融解温度、低コスト、生分解性、および耐湿性により、有機電子デバイス 46、ワイヤレスドラッグデリバリーシステム 47、およびプリント基板 48 で広く使用されています。 その結果、PLA は生分解性亜鉛トレースの周囲に耐湿性コーティングを形成し、亜鉛の導電特性の劣化を防ぐことができます。 PLAはそのユニークな特性により、フィールド内で一定期間安定した動作を維持することが要求されるが、長期間にわたって徐々に劣化するDIRTSに適した構造材料となります。

(a) DIRTS 作製の概念図 (i) 3D プリントした PLA 基板 (ii) PLA 基板の上部に貼り付けた亜鉛テープ (iii) 亜鉛層をレーザー切断して蛇行ライン パターンを彫刻 (iv) 余分な部分を除去表面からの亜鉛テープ (v) 残りの亜鉛テープを除去した後の PLA 基板上の蛇行ライン構造 (vi) PLA 上層を 3D プリントしてセンサー タグを不動態化します。 (b) 製造のさまざまな段階における DIRTS の画像。 (c) (i) 大幅なサイズ削減と (ii) フィールドアプリケーション向けの移植性を実証する DIRTS の画像。

リーダーをドローンに統合し、製造されたデバイスのワイヤレス測定を実行するために、読み取りシステムは取り付け可能な低ペイロードユニットに小型化されました。 カスタム設計の軽量ユニットは、パワーアンプを介してポータブル二重偏波アンテナに接続されたポータブル ベクトル ネットワーク アナライザ (VNA) で構成されています (図 4a)。 VNA の送信ポートからの出力電力は電力増幅器によって増幅され、ポータブル アンテナの垂直偏波リッジから放射されました。 アンテナの水平偏波リッジは VNA の受信ポートに接続され、センサー タグからの後方散乱信号を収集して分析しました。 VNA は、Python インターフェイスで自動化されたカスタマイズされたソフトウェア システムと通信し、フィールド ステーションへの VWC 情報のオンデマンド利用を容易にしました。

ワイヤレスリーダーの開発 (a) カスタム設計のポータブル読み取りユニットのさまざまな構成要素の概略図。 (b) アンテナ、VNA とその付属品、およびソフトウェア システムで構成される実装されたポータブル システムの写真。

ポータブル VNA、パワーアンプ、軽量アンテナで構成されるカスタム設計の小型リーダー ユニットの完全に組み立てられたバージョンを図 4b に示します。 アンテナの垂直偏波リッジに供給される総電力は 12 dBm でした。 パワーアンプの出力に接続されたアンテナは、シミュレーションで示されているように、DIRTS でカバーされる 698 ～ 960 MHz 帯域で 9 dBi のゲインを提供できる交差偏波対数周期アンテナのペアであり、したがって理想的でした。私たちの測定のために。

広範囲の関連する圃場条件でセンサータグの性能をテストするために、図5aに示すように、異なる体積含水量の土壌サンプルが準備されました。 実験では、小粒の最適な播種深さは4〜5 cmであるため、センサータグを土壌サンプルの深さ5 cmに配置しました（図5b）。 センサータグが下に埋め込まれた土壌サンプルをリーダーの視線の中に置き、最大の反射を取得しました（図5c）。 センサーの性能は、ポータブル アンテナを使用して実験室条件でテストされ、固定ホーン アンテナからの読み取り値と比較されて、ポータブル読み取りシステムの有効性が評価されました。 センサーの性能は、\({S}_{21}\) 対周波数のプロットの形で示された共振スペクトルから得られました。\({S}_{21}\) は後方散乱パワーの比です。リーダーが送信した電力にリーダーが受信した電力を加えます。 \({S}_{21}\) 測定値は環境ノイズを除去するために校正され、結果として \({S}_{21(cal)}\) が報告されました (校正方法を参照)。

土壌サンプルに DIRTS を埋め込んだ実験研究 (a) VWC 4%、10%、16%、および 20% を含む土壌サンプル。 (b) 土壌サンプル内の 5 cm の深さでの DIRTS の配置のデモンストレーション。 (c) 最大の反射が得られるように、ポータブル アンテナをサンプルの中心に配置します。 (d) \({S}_{21(cal)}\) と、さまざまな読み取り距離 (RD) および VWC でポータブル リーダーで測定した周波数との関係。 \({S}_{21\left(cal) の減少を示しています\right)}\) RD の関数として (e) \({S}_{21(cal)}\) 対 RD = 40 cm の場合にさまざまな VWC についてポータブルリーダーで測定した周波数 \( のシフトを示す{f}_{r}\) を VWC で使用します。 (f) \({S}_{21(cal)}\) から抽出された共鳴ピークと、VWC の関数としてプロットされたポータブルリーダーで測定された周波数曲線。 電波暗室実験の測定結果とシミュレーション結果を比較のためにプロットしたもの。

DIRTSの最大読み取り距離（RD）を推定するために、VWC = 4％の乾燥土壌サンプルとVWC = 20％の湿った土壌サンプルを、ポータブルリーダーの高さを10〜60 cmまで変化させてテストしました（図5d） ）。 どちらの土壌条件でも、式 1 に示すように、\({f}_{r}\) は RD の関数ではないため、\({f}_{r}\) は変化しませんでした。 (1)。 ただし、どちらの場合も、RD が 10 ～ 60 cm に変化するにつれて、共振ピークの振幅は約 9 dB 減少しました。 リーダーと経路上の障害物との位置ずれによる潜在的な損失を考慮して、読み取り距離に対する安全なノイズマージンは - 25 dB と定義されました。 どちらの場合も、RD > 40 cm の場合、共振ピークの振幅はノイズマージンを超えました。 後方散乱信号はノイズマージンを下回ると実質的に弱くなるため、深さ 5 cm の土壌に埋め込んだ場合のセンサータグの最大読み取り範囲として 40 cm が定義されました。 ほとんどの穀物作物の重要な測定期間は、種子の発芽と苗の成長からなる最初の数週間であるため、小さな苗によって引き起こされる干渉は、読み取り距離 40 cm では無視できる程度になります。 読み取り距離に加えて、角度方向に対するセンサータグの感度は、RD = 40 cm に配置されたときに \(\theta\) を変化させることによってテストされました (補足テキスト ST5)。 結果は、3 dB未満の振幅低減を得るために必要な最適な角度方向は0°〜45°であることを示し（図S2）、図1hの放射パターンから得られたシミュレーション結果を裏付けています。

最適な読み取り距離を40 cm、最適な角度方向を0°〜45°と特定した後、図5cのカスタム設計のポータブルリーダーセットアップを使用して、さまざまな湿度条件に対するセンサータグの応答を研究しました。 グラウンド トゥルースの VWC 測定値は、Teros 12 リーダーから取得され、ポータブル リーダーの測定値から得られた \({f}_{r}\) と相関して、校正曲線を作成しました。 図5eに示すように、土壌のVWCが3.67％から17.7％に増加すると、 \({f}_{r}\) は1.015 GHzから0.794 GHzに減少し、全体で21.77％のシフトが示されました。 VWC の 23.5% までの識別可能な周波数スペクトルが得られました。 土壌実験から得られた共振ピークを抽出して図5fにプロットし、シミュレーション、電波暗室テスト、ポータブルアンテナテストの結果を分析しました。 図5fに示すように、電波暗室からのVWCのさまざまな値に対して得られた共鳴ピークは、シミュレーションからの読み取り値との密接な一致を示しています。 図 5f は、ポータブル リーダーからの結果も示しています。これは、周波数ロールオフ特性におけるシミュレーションと同じ傾向を示しており、シミュレーションとの合理的な一致を示しています。

土壌中のDIRTSの感度を分析するために、図5fを使用して、シミュレーション、ホーンアンテナ、およびポータブルアンテナから得られた読み取り値を比較しました。 すべてのケースにおいて、DIRTS は 6% 未満の VWC 値に対して 40% 以上の高い感度を示しました。 VWC が 6% を超えると、低感度領域に達し、シミュレーション、固定ホーン アンテナの測定値、ポータブル アンテナの測定値からそれぞれ 9.21 MHz/%、8.7 MHz/%、および 9.07 MHz/% の感度が観察されました。 。 この研究では、センサー タグがポータブル リーダー ユニットおよび固定ホーン アンテナの存在下で同等のパフォーマンスを提供することを確認しました。 さらに、シミュレーション結果により、土壌中のセンサータグの感度を妥当な精度で推定することができました。 ホーン アンテナは、その優れた相互絶縁により VWC の最大 30% の読み取り値を提供できますが、かさばって扱いにくいため、実験室の条件に限定されていました。 一方、ポータブル アンテナは、農業分野で観察される典型的な VWC 測定値をカバーしながら、ペイロードの低いドローンへの統合が容易であるため、圃場条件でのドローン支援測定には最適な選択肢でした。

センサー タグの全体的な寿命を評価するために、農業分野でよく見られるプロテアーゼ酵素を使用した加速テスト シナリオが研究室で作成されました。 実験サンプルは分解プロセスを促進するために高レベルのプロテアーゼ酵素にさらされましたが、対照サンプルは分解を制御するために土壌にさらされました。 この酵素は、土壌中の PLA の微生物分解プロセスと同様のバルク浸食メカニズムを通じて PLA カプセル化の加水分解を引き起こします。 PLA の分解挙動は電気化学インピーダンス分光法 (EIS) で検査され (詳細については「方法」を参照)、分解速度は無線測定を使用して VWC に対する共振周波数の感度の損失と相関していました。 センサータグの蛇行ライン構造は、簡単な修正により動作プローブに接続されました（図6a）。 EIS によって測定されたサンプルの気孔率は PLA の全体的な劣化を反映しているため、単純な Randles モデルを使用して気孔抵抗 \({R}_{p}\) を取得しました。 このリアルタイム解析手法を用いて \({R}_{p}\) を測定することにより、土壌劣化環境（図 6b(i)）と劣化促進環境（図 6b(i)）から PLA の劣化速度が得られました。 6b(ii))、その後、加速係数の計算に適用されました。

加速分解環境および土壌環境における DIRTS の生分解に関する実験的研究 (a) EIS 測定用に修正されたセンサータグ、EIS 測定用の 3 電極構成、およびインピーダンスフィッティングに使用される Randles モデルの概念図。 (b) (i) 土壌試験および (ii) 加速試験の実験セットアップの画像 (c) センサー タグが土壌中にあるときにさまざまな日に測定されたナイキスト プロット。 (d) センサータグが加速劣化環境にあったときにさまざまな日に測定されたナイキストプロット。 挿入図は、ナイキスト プロット上の半円パターンを示しています。 (e) 土壌試験と加速試験の時間の関数として抽出された \({R}_{p}\) の値。 (f) VWC の関数としてプロットされた同時 RF 測定から抽出された共鳴ピーク。

EIS 測定は、測定されたインピーダンスのベクトル表現を提供するナイキスト プロットを利用して分析されました。 土壌から得られたナイキストプロット（図6c）は、低周波数で傾いた直線を示し、これは1日目から85日目まで増加し、ゆっくりと分解する環境におけるPLAの空隙率の変化が比較的小さいことを示唆しています。 対照的に、同じ期間の加速劣化環境から得られたナイキストプロット（図6d）は、最初は直線を示し、センサータグの周囲の理想的な絶縁コーティングを示しています。 その後、プロットは細孔の形成と水の徐々に取り込みを示す半円に変化し、ポリマーでよく観察される加水分解のさまざまな段階を例示しました。 同時に、センサータグの RF 特性に対する劣化の影響を調査するために、ナイキストプロットに顕著な変化が観察された時点でセンサータグを酵素溶液から取り出し、4 から 4 までの範囲の VWC について無線感度テストを実行しました。 20%。 劣化挙動における重要なイベントの発生を特定するために、\({R}_{p}\) の変化を経時的に追跡しました。 テストの最初の数日間、PLAは酵素溶液に対する保護バリアとして機能し、両方の環境で10秒程度の高い\({R}_{p}\) GΩをもたらしました（図6e）。 。 しかし、加速試験では、時間の経過とともにポリマーに徐々に分解が発生し、ポリマーマトリックスへの細孔の増加と水の取り込みが増加しました。これは 55 日間の浸漬後に明らかでした。 土壌検査では \({R}_{p}\) の直線的な減少が 55 日目から 76 日目まで観察されましたが、\({R}_{p}\) は 2 桁の急激な減少でした。加速試験で観察され、PLA の気孔率が大幅に増加していることを示唆しています。 当然の結果として、この \({R}_{p}\) の低下は、並行して実行された無線感度測定にも反映されており、\({f}_{r}\) の大幅な低下が 55 日目の間に観察されました。 76日目では、20％VWCで感度が4％低下しました（図6f）。 感度の損失は、高い VWC で土壌から細孔への水の浸透の増加を引き起こす PLA コーティング内の細孔形成の広がりに起因すると考えられます。 全体として、感度偏差の傾向は、この研究で観察された初期段階での段階的な劣化と、その後の空隙率の増加およびポリマーへの水の取り込みと一致していました。 Hakkarainen et al.49 および Maharana T. et al.50 による同様の発見では、PLA の加水分解が初期段階ではゆっくりとした分解、続いて最終段階では急速な分解という段階で起こることが観察され、実証された結果を裏付けています。私たちの研究では。

DIRTS の信頼できる機能期間を取得するために、センサー タグがこの範囲を超えると RF 感度特性に 4% の偏差を示したため、20 日目と 55 日目の間の劣化の線形領域から加速係数を取得しました。 線形領域での加速試験における DIRTS の劣化と土壌試験における DIRTS の劣化の比率を計算すると、加速係数 7.15 が得られ、土壌中でのセンサータグの信頼できる機能期間が感度付きで約 1 年であることを示しています。偏差は4%よりはるかに小さいです。 PLA が完全に分解される時間を推定するために、以前の研究が分析されました。 Karamanlioglu M. et al. 51 は、減量法に基づいて PLA の生分解速度が約 0.02 g/年であることを示しました。 Hakkarainen et al.49 および Karamanlioglu M. et al.51 によって報告された分解速度では、DIRTS は約 80 年で完全に生分解されると推定されています。 しかし、対照的に、PET やアクリル 52 などの他の一般的に使用されるポリマーは 30 分の 1 低い分解速度 53 を示しており、PLA が土壌用途の生分解性センサーとして適切な選択肢となっています。

最後に、生分解の形態学的影響を検査するために、密閉された気密容器内で90日間曝露した後にDIRTSの断面走査型電子顕微鏡（SEM）画像を撮影しました（図7a、d）、農地（図7b、e） ）、および酵素溶液（図7c、f）。 酵素分解にさらされていないサンプルでは非常に最小限の気孔率が観察されましたが、野外に置かれたサンプルでは比較的高いレベルの気孔率が示されました。 比較すると、酵素溶液に置かれたサンプルは、加速された生分解環境に長期間さらされたため、最大の多孔性を示しました（補足テキストST6および図S3）。 土壌中に置かれたサンプルと酵素溶液中のサンプルの間の \({R}_{p}\) の違いは、SEM 画像を利用して検証されました。

さまざまな媒体に 3 か月間埋設した後の DIRTS の SEM 画像 (a) 気密密閉容器内に置かれた DIRTS の断面図。3 か月後の細孔形成は無視できることが示されています (b) 土壌では比較的高いレベルの空隙率が観察されています (c)加速された生分解環境で観察された最大気孔率は、最高レベルの分解を示します。 （ d – f ）それぞれ a、b、c の白いボックスで区切られた挿入図に対応する DIRTS の高倍率画像。 [スケールバー: (ac) については 5 μm、(df) については 1 μm]。

ポータブルリーダーシステムとアンテナの固定マウントの展開を図8aに示します（補足テキストST7）。 図 8b に示すように、ポータブル アンテナは 2 つの読み取り距離 (10 cm と 40 cm) でセンサーを測定するように構成されました。 図8cに示すように、RDが10cmから40cmに増加すると、\({S}_{21(max)}\)は経路損失により1日目に8.33 dB、2日目に9 dB減少しました。 \({f}_{r}\) は RD との偏差が無視できるほどであることを示し、両方の VWC のリーダーのさまざまな高度に対する \({f}_{r}\) の安定性を確認しました。 2つの別々の日に得られたRF特性から抽出された \({f}_{r}\) の値は、図8fに示すように、実験室テストから作成された検量線を使用して、対応するVWCに変換されました。 変換後、DIRTS は 1 日目に 5.2% (\({f}_{r}\) = 0.963 GHz) および 8.12% (\({f}_{r}\)= 0.887 GHz) の VWC を提供しました。それぞれ2日目。 比較すると、グラウンド トゥルース リーダーは 1 日目に 6%、2 日目に 9% を記録し、許容誤差が 1% 未満と非常に低かったため、さまざまなフィールド条件に対する校正曲線の精度が検証されました。

固定式リーダーとドローン搭載型リーダーによる質問時のフィールドに埋設された DIRTS に関する実験研究 (a) フィールドにあるポータブル リーダー アセンブリの写真。 (b) RD = 10 cm および RD = 40 cm を示す、固定マウントに取り付けられたポータブル アンテナの写真。 (c) RD = 10 cmおよびRD = 40 cmの場合、測定値\({S}_{21(cal)}\)が6%および9%のVWCの周波数の関数としてプロットされました。 (d) ドローンに搭載されたアンテナがセンサー タグ上でホバリングしている写真。 挿入図は、開けられた穴を埋める前に、深さ 5 cm に配置されたセンサー タグを示しています。 (e) 測定値 \({S}_{21(cal)}\) は、6% および 14.5% のグラウンド トゥルース VWC について、高度約 40 cm からドローンによって記録された周波数の関数としてプロットされています。 (f) 実験室テストから得られた校正曲線に関して、固定マウント上のポータブル リーダーとドローンから得られた結果の比較。

現場でのセンサーの動作を検証した後、ドローンに搭載されたポータブルリーダーの効率がテストされました（補足テキストST8）。 ポータブル アンテナは、ドローンの着陸脚の間に固定することにより、ドローンの底部に搭載されました。 ドローンは、センサーが深さ 5 cm に埋め込まれた地上 40 cm の高さで、非常に安定した位置合わせを実証しました (図 8d)。 ドローン測定からの後処理データを図 8e に示します。 ドローン支援測定では、DIRTS は 14.95% (\({f}_{r}\) = 0.819 GHz) および 7.3% (\({f}_{r}\)= 0.984 GHz) の VWC を記録しました。それぞれ1日目と2日目（図8f）。 同時のグラウンドトゥルース測定では、1 日目には 14.5%、2 日目には 6% の VWC が示され、ドローン支援測定から得られた値とよく一致していることが示されました。 飛行ドローンの使用にも関わらず、高感度領域では 1.5% 未満の許容誤差が得られ、リアルタイム測定における DIRTS の適用可能性が確認されました。

最後に、フィールド測定の実際的な考慮事項として、温度、風、圧力など、フィールド条件によって変化する可能性のある特定の環境パラメータが考慮されました。 土壌温度は通常 10 ～ 40 °C の間で変動しますが、PLA の誘電率は、GHz 周波数で 10 ～ 75 °C の範囲の温度に対して無視できる程度の感度を示します54。 センサーは深さ5cmに埋め込まれているため、風の影響はほとんどありません。 日常の現場用途では、噴霧器ドローンを非接触型 VWC 測定や殺虫剤と水の散布に使用することで、大型の現場車両によって引き起こされる土圧を排除できます。 したがって、チップレス無線センサーとドローン支援テレメトリーを組み合わせることで、DIRTS は機能期間中に現場条件で確実に動作し、他の環境パラメーターの影響を受けにくくしながら土壌パラメーターを測定できます。 将来の取り組みの一環として、DIRTS とマルチスペクトル イメージング技術を相補的な構成で使用することができます。DIRTS は下層土壌の測定を提供し、マルチスペクトル イメージングは​​畑の表面スキャンを実行して、ドローン支援の精密農業に新しい道を切り開くことができます。

今回報告する分解性インテリジェント無線送信センサー (DIRTS) は、さまざまな圃場条件における土壌の VWC を無線でその場ドローン支援で高精度に監視することを可能にします。 DIRTS は、ESA 設計アプローチと生分解性金属パターンのレーザー加工および生分解性ポリマーの 3D プリンティングを容易にする AM 技術を融合した、低コストで完全に生分解性の高度に小型化されたセンサーです。 CST マイクロ波スタジオ ベースのシミュレーション プラットフォームを使用して、センサー タグの形状を最適化し、土壌内のさまざまな VWC 条件に対するセンサー タグの応答を予測しました。 カスタム設計のリーダーユニットは、現場で測定を行うために、取り付け可能な軽量アンテナをポータブル VNA に統合することによって開発されました。 DIRTS の評価は、騒音のない電波暗室内でホーン アンテナを使用してテストすることと、騒音の多い環境でカスタム設計のポータブル リーダー ユニットを使用してテストすることによって実施され、その結果によってシミュレーション結果が検証されました。 ポータブルシステムを定置モードにし、センサーを土壌に埋め込んで農業圃場で実施した最初のフィールド調査では、リーダーとセンサーの動作が確認されました。 ポータブルリーダーアンテナを噴霧器ドローンに取り付け、土壌に埋め込まれたセンサーを読み取って土壌のVWCを抽出することによって行われた概念実証研究は、ドローン支援PAアプリケーションのためのDIRTSの実用的なデモンストレーションを達成しました。 EIS ベースの生分解研究では、土壌と酵素溶液の両方で DIRTS の分解傾向がバルク侵食を促進することが実証されました。 土壌と酵素溶液に置かれたときの DIRTS の細孔耐性の比較研究は、外挿技術を使用して数年後の野外での生分解の割合を予測するのに役立ちました。 感度の偏差（VWC 対 \({f}_{r}\)）に関する並行研究とそれに続くサンプルの SEM 分析により、生分解研究の結果が裏付けられ、DIRTS の機能的信頼性が検証されました。 DIRTS は、小型化、積層造形、携帯性、生分解性の厳密な統合を実証したデバイスであり、PA 用の低コストで環境に優しいセンサーに対する例外的な需要を考慮すると、農業管理の改善にその幅広い用途が期待されます。 DIRTS テクノロジーは、食品包装や人間の健康監視など、小型の生分解性センサーが非常に重要である他の用途にも応用できます。

プロセス手順は、Ultimaker 3D プリンターを使用して PLA シートを 3D プリントすることから始まりました。 プリント コアは 0.4 mm ノズルを使用し、0.1 mm の解像度で動作しました。 PLA の充填密度は 20% に設定されました。 印刷温度とビルド プレートの温度は、それぞれ 200 °C と 60 °C に設定されました。 PLA シートは 2 cm × 2 cm × 2.5 mm のサイズになるように設計されました (図 3a(i))。 70 mm/秒の速度で、PLA 基板のアレイを 1 時間以内に 3D プリントできます。 基板を 3D プリントしたら、亜鉛テープを 2 cm × 2 cm のサイズに切断し、PLA 基板に貼り付けました (図 3a(ii))。 レーザー彫刻機を使用して、亜鉛層上に蛇行ラインのパターンを定義しました (図 3a(iii))。 キープアウト層上に残っている亜鉛テープを除去し (図 3a(iv)、パターン形成を終了します (図 3a(v))。Ultimaker 3D プリンターを使用して PLA を押し出し、厚さ 2.5 mm のスーパーストレート (図 3a(v)) を形成しました。図 3a(vi)). 各製造段階 (PLA 基板の形成、亜鉛層のパターニング、および PLA 上層の押出) 後のセンサー タグを図 3b に示します。完全に製造されたセンサーの重量は 4 g で、小型、軽量、コインサイズ (図 3c(i)) 最後の図 (図 3c(ii)) は、農業分野でのセンサー タグを示しています。

組み立てられた測定構成を図 4b に示します。 測定には、Copper Mountain Technologies から市販されているポータブル VNA を使用しました。 この VNA は、1 Hz の分解能で 300 kHz ～ 1.3 GHz の信号を送信できます。 VNA は最大 3 dBm の電力を生成できましたが、過剰な反射電力により VNA の受信ポートに過負荷がかかる可能性があるため、Tx ポートは -10 dBm を生成するように校正されました。 VNA の出力に接続されたパワー アンプは、Analog Devices の ADL5911 RF/IF ゲイン ブロックでした。 ADL5911 ゲイン ブロックは、30 MHz ～ 6 GHz の周波数範囲で 22 dB の固定ゲインを提供する広帯域アンプです。 合計 12 dBm の電力がアンテナの垂直偏波リッジに供給されました。 Poynting の XPOL-2-5G をパワー アンプの出力に接続しました。 XPOL-2-5G は、698 ～ 960 MHz 帯域で 9 dBi のゲインと < 2 の VSWR を提供できる対数周期アンテナの交差偏波ペアです。

土壌サンプルは畑から収集され、約 80 °C のオーブンで乾燥されました。 サンプルを粉砕し、ふるいにかけ、乾燥土壌の均一な混合物を得ました。 乾燥した土壌に注意深く水を振りかけ、その後完全に混合しました。 グラウンドトゥルースリーダーとして機能する市販のTeros 12 VWCセンサーを使用して、サンプルを必要なVWCレベルでキャップしました。

共鳴スペクトルはセンサー タグと土壌の両方からの反射で構成されているため、ノイズを最小限に抑え、センサー タグのみの後方散乱効果を抽出するには、土壌の反射特性と吸収特性を無効にする必要があります。 ノイズを低減するために、センサー タグを埋め込まずに同じ土壌サンプルを配置することで、\({S}_{21(isolation)}\) を取得するためのキャリブレーション ステップが実行されました。 \({S}_{21(tag)}\) は、センサータグを土壌サンプルに埋め込んで測定した結果から得られます。 校正された \({S}_{21}\) 対周波数のプロットは、土壌中のセンサー タグによる \({S}_{21}\) の読み取り値を \({S}_{土壌中にセンサータグがない場合の 21}\) の測定値 ( \({S}_{21(cal)}={S}_{21(tag)}-{S}_{21(isolation)}\)) 。

ノイズのない電波暗室を使用すると、電磁干渉を最小限に抑え、エコーを最大限に抑制した環境でのセンサーのパフォーマンスを評価するのに役立ち、シミュレーションの結果と電波暗室の結果の比較が容易になります。 無響室でのテストは、Keysight E5072A VNA に接続された ETS Lindgren 3164-10 クアッド リッジ デュアル偏波ホーン アンテナを使用して実行されました。

センサータグの亜鉛層は、EIS測定と互換性のある構造を得るために変更されました。 曲がりくねったラインの両端が延長され（図6a）、銅線が延長部分にはんだ付けされてEIS機器への接続が確立されました。 蛇行したラインを酵素溶液から保護する必要があるため、接触領域はエポキシコーティングを使用して確保されました。

EIS 測定は、作用電極、参照電極、対極からなる 3 電極構成で実行されました。 作用電極と参照電極との間にピーク振幅１００ｍＶの小信号電圧を印加した。 電流は作用極から対極に流れます。 Gamry Reference 600 を使用して EIS 測定を実行しました。 蛇行ラインからの不動態化された延長部分は、Gamry Reference 600 の作用電極に接続されました。市販の Thermo Scientific 900,200 Orion Sure-Flow Ag/AgCl ハーフセル電極が参照電極として使用され、スチール メッシュがカウンターとして使用されました。電極。 周波数を 0.1 Hz から 10 kHz まで掃引してインピーダンス スペクトルを取得し、そこからナイキスト プロットを抽出しました。

加速分解環境では、センサータグをプロテイナーゼ K と Tris-HCl 緩衝液の溶液中に 35 °C で保存しました55。 真菌 Engyodontium album から抽出されたプロテイナーゼ K は、PLA および PLA ポリマーブレンドの加速生分解研究に使用されました 56。 土壌分解環境では、センサータグを VWC 30% に維持された土壌に保管しました。

歪みを減らすためにサンプルを 24 時間凍結乾燥しました。 その後、凍結割断して断面サンプルを得た。 帯電を軽減するためにAu-Pdコーティング（SPIスパッタコータ）を行った後、Hitachi S-4800を使用して走査型電子顕微鏡検査を実行しました。

この研究の結果を裏付けるデータは、合理的な要求に応じて著者から入手できます。

国連、経済社会省人口課 (2019)。 2019 年の世界人口予測: ハイライト。

Levidow, L. et al. 水効率の高い灌漑の改善：革新的な実践の展望と困難。 農業。 水道管理。 146、84–94 (2014)。

記事 Google Scholar

ゴミエロ、T. 土壌劣化、土地不足、食糧安全保障: 複雑な課題を概観します。 サステナビリティ 8、281 (2016)。

記事 Google Scholar

グッド、AG & ビーティ、PH 肥沃な自然: 共有地における過剰の悲劇。 PLoSバイオル。 9、8 (2011)。

記事 CAS Google Scholar

ユネスコ、[ユネスコ] 国連教育科学文化機関。 (2001a) 食糧供給の確保。 パリ。

Cosgrove、WJ & Loucks、DP 水管理: 現在および将来の課題と研究の方向性。 水資源。 解像度 51、4823–4839 (2015)。

記事 ADS Google Scholar

Thorslund、J. et al. 世界中の河川流域における淡水の塩類化の一般的な原因となる灌漑。 ナット。 共通。 12、4232 (2021)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

DSG のトーマス氏とニュージャージー州ミドルトンの塩類化: 主要な砂漠化問題に関する新たな視点。 J.乾燥環境。 24、1 (1993)。

記事 Google Scholar

Flowers, TJ、Garcia, A. & Koyama, M. 作物における耐塩性のための育種 - 分子生物学の役割。 アクタフィジオール。 植物。 19、427–433 (1997)。

記事 CAS Google Scholar

Mailhol, JC、Ruelle, P.、Nemeth, I. 灌漑下の窒素浸出に対する施肥慣行の影響。 イリグ。 科学。 20、139–147 (2001)。

記事 Google Scholar

リュー、L.ら。 土壌水分は、世界中の生態系生産における乾燥ストレスを支配しています。 ナット。 共通。 11、4892 (2020)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Zhang、J.ら。 土壌水分供給と大気蒸発需要の協調制御に基づく持続可能な灌漑。 ナット。 共通。 12、5549 (2021)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Holzman, ME、Rivas, R. & Piccolo, MC 地表温度と植生指数を使用して、土壌水分と作物収量との関係を推定します。 内部。 Ｊ．Ａｐｐｌ． 地球観測。 地理情報。 28、181–192 (2014)。

記事 ADS Google Scholar

Borowik, A. & Wyszkowska, J. 土壌の微生物学的および生化学的活性に影響を与える要因としての土壌水分。 植物の土壌環境。 62、250–255 (2016)。

記事 CAS Google Scholar

Fu, Y. et al. さまざまな土壌水分下での携帯電話の画像から土壌有機物を予測します。 Geoderma 361、114020 (2020)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Rajaramamohan-Rao、V. 水田土壌中の水分含有量、硫酸アンモニウムおよび有機源の影響を受ける窒素固定。 ソイルバイオル。 生化学。 8、445–448 (1976)。

記事 CAS Google Scholar

Turner, LB & Haygarth, PM 再湿潤土壌におけるリンの可溶化。 Nature 411, 258 (2001)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Western、AW、Grayson、RB、Blöschl、G. & Wilson、DJ 土壌水分の空間変動とスケールへの影響 (CRC Press、2003)。

Google スカラー

キング、A. テクノロジー: 農業の未来。 Nature 544、S21–S23 (2017)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Walter, A.、Finger, R.、Huber, R.、Buchmann, N. 持続可能な農業のためのスマート農業。 手順国立アカド。 科学。 114、24 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

Khanal, S.、Kushal, KC、Fulton, JP、Shearer, S. & Ozkan, E. 農業におけるリモートセンシング - 成果、限界、および機会。 Remote Sens. 12、3783 (2020)。

記事 ADS Google Scholar

ソーダ州イフオマおよびカリフォルニア州マドラムートゥー 作物の水ストレス検出における最近の進歩。 計算します。 電子。 農業。 141、267–275 (2017)。

記事 Google Scholar

Bepery, C.、Sozol, MSS、Rahman, MM、Alam, MM、Rahman, MN 遠隔土壌モニタリングにおけるモノのインターネットのためのフレームワーク。 第 23 回コンピュータおよび情報技術に関する国際会議 (ICCIT) (2020 年) にて。

Jiang, X.、Waimin, JF、Jiang, H.、Mousoulis, C.、Raghunathan, N.、Rahimi R.、Peroulis, D. スマート農業用の柔軟な硝酸塩センサーを利用したワイヤレス センサー ネットワーク。 2019 IEEE SENSORS、1–4。 IEEE (2019)。

Elijah, O.、Rahman, TA、Orikumhi, I.、サイゴン州レオウ、ミネソタ州ヒンディア 農業におけるモノのインターネット (IoT) とデータ分析の概要: 利点と課題。 IEEE Internet Things J. 5、3758–3773 (2018)。

記事 Google Scholar

Kang、DHP、Chen、M.、Ogunseitan、OA 電子廃棄物中の充電式リチウム電池が環境と人間の健康に与える潜在的な影響。 環境。 科学。 テクノロジー。 47、5495–5503 (2013)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

セルバマニ、V. et al. レーザー表面テクスチャリングにより抗菌特性が強化された階層的なマイクロ/メソポーラス銅構造。 上級メーター。 インターフェイス 7、1901890 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

Brinker, KR、Vaccaro, M. & Zoughi, R. アプリケーションに適応可能なチップレス RFID タグ: 設計方法、測定基準、および測定。 IEEEトランス。 インストラム。 測定。 69、3882–3895 (2019)。

論文 PubMed PubMed Central Google Scholar

Amin, EM、Bhuiyan, MS、Karmakar, NC、Winther-Jensen, B. 低コストの印刷可能なチップレス RFID 湿度センサーの開発。 IEEE Sens. J. 14、140–149 (2014)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Vena, A.、Sydänheimo, L.、Tentzeris, MM、および Ukkonen, L. ガス検出用の新しいインクジェット印刷カーボン ナノチューブ ベースのチップレス RFID センサー。 2013 欧州マイクロ波会議、9 ～ 12 日 (2013 年)。

Brinker, K.、Case, A.、Al Qaseer, MT、複合材料の現場検査および構造健全性モニタリング用のバイスタティック マイクロ波センサー。 2021 IEEE 国際計測技術会議 (I2MTC)、1 ～ 6 (2021)。

Waimin, J. et al. 電気化学的インピーダンス測定による酢酸セルロースの分解をリアルタイムでモニタリングすることにより、微生物の活動を非侵襲的に評価します。 センサー アクチュエーター 物理学 321、112543 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

Gopalakrishnan、S. et al. 下層土壌水分モニタリング用のバッテリーレスのワイヤレスチップレスセンサータグ。 IEEE Sens. J. 21、6071–6082 (2021)。

記事 ADS CAS Google Scholar

ワルナギリス、TJ & ミナルド、TJ 電気的に小型の送信アンテナとしての蛇行ラインのパフォーマンス。 IEEEトランス。 アンテナの伝播。 46、1797–1801 (1998)。

記事 ADS Google Scholar

Behari, J. 湿った土壌のマイクロ波誘電体現象 (Springer、2005)。

Google Scholar を予約する

Topp, GC、Davis, JL & Annan, AP 土壌水分含有量の電磁測定: 同軸伝送線路での測定。 水資源。 解像度 16、574–582 (1980)。

記事 ADS Google Scholar

Zhang、M.ら。 WSN に基づく土壌水分の時間的および空間的変動。 数学。 計算します。 モデル。 58、826–833 (2013)。

記事 Google Scholar

Nejati, S. et al. 炎症性腸疾患の種類の検出と管理のための小腸サンプリング カプセル。 ラボチップ 22、57–70 (2022)。

記事 CAS Google Scholar

ワイミン、JF et al. 非侵襲的なサンプリングと胃腸微生物叢の研究のためのスマート カプセル。 RSC アドバンス 10、16313–16322 (2020)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Sedaghat, S. et al. 非酵素的グルコースセンシングのための電気化学的性能を強化した銅表面上のレーザー誘起大気CuxO形成。 J. メーター。 化学。 C 9、14997–15010 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

Nejati, S. et al. 抗菌銀ナノ粒子を効果的に固定化するための炭素膜のレーザー機能化。 Ｊ．Ｅｎｖｉｒｏｎ． 化学。 工学 8、104109 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

Zareei、A. et al. 低コストのプリンテッド エレクトロニクス向けの高導電性銅銀バイモーダル ペースト。 ACS アプリケーション。 電子。 メーター。 3(8)、3352–3364 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

Gopalakrishnan、S. et al. 金属蒸着紙上でのワンステップのレーザー誘起パターニングとナノ粒子形成によるスマートパッケージング用のワイヤレス湿度センサー。 上級電子。 メーター。 （2022年）。

Katarivas Levy, G.、Goldman, J. & Aghion, E. 生分解性インプラントの構造材料としての亜鉛の展望 - 総説論文。 金属 7、402 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

Sedaghat, S. et al. 高感度の非酵素的グルコースセンサーとしてのレーザー誘起メソポーラス酸化ニッケル。 ACS アプリケーション。 ナノメーター。 3、5260–5270 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

マタナ、G.ら。 全溶液プロセス有機電子デバイス用の生分解性材料としてのポリ乳酸。 組織電子。 17、77–86 (2015)。

記事 CAS Google Scholar

リー、J.ら。 脳腫瘍への薬物送達のための、柔軟で粘着性があり生分解性の無線デバイス。 ナット。 共通。 10、5205 (2019)。

論文 ADS PubMed PubMed Central CAS Google Scholar

Géczy, A. et al.、生分解性プリント基板上の導電層の堆積と剥離テスト。 2012 IEEE 18th (SIITME)、139–142 (2012)。

Hakkarainen, M.、Ann-Christine, A. & Karlsson, S. 重量損失と分子量変化は、PLA と PGA のホモポリマーおよびコポリマーの in vivo 分解シミュレーションにおけるヒドロキシ酸の発生と相関していました。 ポリム。 劣化する。 刺す。 53、283–291 (1996)。

記事 Google Scholar

Maharana, T.、Mohanty, B. & Negi, YS 乳酸の溶融固体重縮合とその生分解性。 プログレ。 ポリム。 科学。 34、99–124 (2009)。

記事 CAS Google Scholar

Karamanlioglu, M. & Robson, GD 堆肥と土壌に埋められたポリ (乳酸) 酸 (PLA) クーポンの分解速度に対する生物的要因と非生物的要因の影響。 ポリム。 劣化する。 刺す。 98、2063–2071 (2013)。

記事 CAS Google Scholar

Zareei、A. et al. 細胞外マトリックスの剛性をリアルタイムで非破壊的に評価するためのラボオンチップ超音波プラットフォーム。 ラボチップ 20、778–788 (2020)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Janczak, K.、Hrynkiewicz, K.、Znajewska, Z. & Dąbrowska, G. 堆肥土壌中の PLA および PET ポリマーの生分解における根圏微生物の使用。 内部。 バイオデテリア。 生分解性。 130、65–75 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Dichtl, C.、Sippel, P.、Krohns, S. 3D プリントされたポリ乳酸の誘電特性。 上級メーター。 科学。 工学 （2017年）。

ヤマシタ、ケイ、キッカワ、ユウ、クロカワ、ケイ、土井、プロティナーゼ K によるポリ (L-ラクチド) フィルムの酵素的分解: 水晶微量天秤および原子間力顕微鏡研究。 バイオマクロモル 6、850–857 (2005)。

記事 CAS Google Scholar

Hu, X.、Su, T.、Li, P. & Wang, Z. PBS/PLA のブレンド修飾とその酵素分解。 ポリム。 ブル。 75、533–546 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

リファレンスをダウンロードする

著者は、電波暗室施設を提供してくださった Pedro Irazoqui 教授 (米国パデュー大学生体医工学部副部長) に感謝いたします。 著者らは、ウォバシュ・ハートランド・イノベーション・ネットワークの農業普及コーディネーターであるジョン・スコット氏のドローン測定への支援に感謝します。 著者らは、パデュー大学の電気工学およびコンピュータ工学部および材料工学部からの支援にも感謝したいと思います。

パデュー大学電気・コンピュータ工学部、ウェストラファイエット、インディアナ州、47907、米国

サラス・ゴパラクリシュナン、アリ・シャクーリ、ラヒム・ラヒミ

パデュー大学材料工学部、ウェストラファイエット、インディアナ州、47907、米国

ホセ・ワイミン、アミン・ザリー、ソトゥーデ・セダガート、ラヒム・ラヒミ

Birck Nanotechnology Center、パデュー大学、ウェストラファイエット、インディアナ州、47907、米国

サラス・ゴパラクリシュナン、ホセ・ワイミン、アミン・ザリー、ソトゥーデ・セダガート、ニシン・ラグナタン、アリ・シャコウリ、ラヒム・ラヒミ

PubMed Google Scholar でこの著者を検索することもできます

PubMed Google Scholar でこの著者を検索することもできます

PubMed Google Scholar でこの著者を検索することもできます

PubMed Google Scholar でこの著者を検索することもできます

PubMed Google Scholar でこの著者を検索することもできます

PubMed Google Scholar でこの著者を検索することもできます

PubMed Google Scholar でこの著者を検索することもできます

SG、AS、および RR が計画した研究。 SG、JW、AZ、SS が調査を実施しました。 NR は無線測定に関するアドバイスと支援を提供しました。 SG、JW、AZ、SS、AS、RR の分析データ。 SG、JW、AZ、RR が論文を執筆しました。

ラヒム・ラヒミへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

オープン アクセス この記事はクリエイティブ コモンズ表示 4.0 国際ライセンスに基づいてライセンスされており、元の著者と情報源に適切なクレジットを表示する限り、あらゆる媒体または形式での使用、共有、翻案、配布、複製が許可されます。クリエイティブ コモンズ ライセンスへのリンクを提供し、変更が加えられたかどうかを示します。 この記事内の画像またはその他のサードパーティ素材は、素材のクレジットラインに別段の記載がない限り、記事のクリエイティブ コモンズ ライセンスに含まれています。 素材が記事のクリエイティブ コモンズ ライセンスに含まれておらず、意図した使用が法的規制で許可されていない場合、または許可されている使用を超えている場合は、著作権所有者から直接許可を得る必要があります。 このライセンスのコピーを表示するには、http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ にアクセスしてください。

転載と許可

Gopalakrishnan、S.、Waimin、J.、Zareei、A. 他。 ワイヤレスで下層土壌の状態をモニタリングするための生分解性チップレスセンサー。 Sci Rep 12、8011 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-12162-z

引用をダウンロード

受信日: 2022 年 1 月 23 日

受理日: 2022 年 4 月 25 日

公開日: 2022 年 5 月 14 日

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

次のリンクを共有すると、誰でもこのコンテンツを読むことができます。

申し訳ございませんが、現在この記事の共有リンクは利用できません。

Springer Nature SharedIt コンテンツ共有イニシアチブによって提供

科学レポート (2023)

コメントを送信すると、利用規約とコミュニティ ガイドラインに従うことに同意したことになります。 虐待的なもの、または当社の規約やガイドラインに準拠していないものを見つけた場合は、不適切としてフラグを立ててください。