DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2024.1490801
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39840367
تاريخ النشر: 2025-01-07
المؤلف: Fucheng Zhang وآخرون
الموضوع الرئيسي: الزراعة الذكية والذكاء الاصطناعي
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نظرة عامة على الدور الحاسم للمستشعرات المتقدمة في الزراعة الذكية، مع التأكيد على أهميتها في جمع البيانات لإدارة قرارات زراعة المحاصيل. تسلط المراجعة الضوء على التقدمات الأخيرة في تكنولوجيا المستشعرات، المدفوعة بالابتكارات في تكنولوجيا الميكرو-نانومتر، والإلكترونيات المرنة، والأنظمة الميكرو-إلكترو-ميكانيكية (MEMS). أدت هذه التطورات إلى مستشعرات أكثر دقة واستقرارًا وقادرة على العمل في بيئات زراعة متنوعة.
يناقش البحث بشكل منهجي أحدث الاتجاهات في مبادئ المستشعرات، وعمليات التصنيع، ومقاييس الأداء، خاصة فيما يتعلق بالتربة وسيناريوهات المحاصيل المختلفة. ويختتم بمعالجة الفرص والتحديات المستقبلية، مقترحًا أن دمج التقنيات المتقدمة، مثل تكنولوجيا النانو والذكاء الاصطناعي (AI)، لديه القدرة على تعزيز دقة وذكاء المستشعرات الزراعية بشكل كبير، مما يمهد الطريق للابتكارات التحويلية في هذا المجال.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على التأثير التحويلي لتكنولوجيا المعلومات الحديثة على الزراعة، خاصة من خلال الانتقال من الزراعة التقليدية إلى ممارسات الزراعة الذكية. هذا الانتقال ضروري لمعالجة الأمن الغذائي وتعزيز التنمية الزراعية المستدامة. في صميم الزراعة الذكية توجد المستشعرات، التي تسهل المراقبة في الوقت الحقيقي لكل من الظروف الداخلية للمحاصيل – مثل الخصائص الكيميائية الحيوية وخصائص الصحة – والعوامل البيئية الخارجية مثل رطوبة التربة ومستويات المغذيات. تشمل التقدمات الملحوظة تطوير مستشعرات منخفضة التكلفة للاستخدام المباشر لتخصيب التربة والمستشعرات النانوية للكشف عن مؤشرات صحة النبات، مما يمكّن المزارعين من تحسين استخدام الموارد وزيادة غلة المحاصيل.
تؤكد الورقة على الطبيعة متعددة التخصصات للتقدمات في مستشعرات الزراعة، حيث تدمج مجالات مثل فسيولوجيا المحاصيل، والإلكترونيات، وعلوم المواد. وتلاحظ ظهور تقنيات مبتكرة، بما في ذلك استشعار الميكرو-نانومتر والإلكترونيات المرنة، التي تعزز قدرات مستشعرات الزراعة للمراقبة المستمرة. على الرغم من وجود مراجعات قائمة حول تقنيات المستشعرات المحددة، لا يزال هناك فجوة في التحليلات الشاملة للمستشعرات المتقدمة الجديدة في زراعة المحاصيل. تهدف هذه المراجعة إلى سد هذه الفجوة من خلال تلخيص التطورات الأخيرة، والتقنيات الرئيسية للتصنيع، والتحديات التي تواجه هذا المجال. توضح هيكل المراجعة، الذي يتضمن مناقشات حول تطبيقات المستشعرات، وتحليلات مقارنة للمستشعرات متعددة الأنماط، وآفاق المستقبل لتحليل البيانات الذكية والذكاء الاصطناعي في تكنولوجيا مستشعرات الزراعة.
طرق
تناقش هذه القسم التأثير البيئي والسمية للمواد الاستشعارية الجديدة، خاصة في سياق التقنيات الناشئة مثل المستشعرات النانوية والأجهزة القابلة للارتداء. تؤكد على ضرورة فهم التأثيرات الفسيولوجية والكيميائية الحيوية لهذه المواد على المحاصيل قبل استخدامها على نطاق واسع. تشمل العوامل الرئيسية التي يجب تقييمها اختراق المواد، والامتصاص، والتوزيع، والمصير داخل أعضاء النبات، بالإضافة إلى قدرتها على إلحاق الضرر بحيوية النبات والمساهمة في التلوث البيئي. تسلط الدراسة الضوء على أهمية تقييم ليس فقط مستويات التركيز الخطرة ولكن أيضًا خصائص مثل الحجم، ومساحة السطح، والشحنة السطحية، والشكل، والكيمياء السطحية، والتجمع، والتي ترتبط جميعها بالسمية (Paramo et al., 2020).
بينما تم إجراء أبحاث كبيرة حول السمية قصيرة المدى للمواد النانوية على النباتات، لا تزال التأثيرات طويلة المدى على النظم البيئية الزراعية غير مستكشفة بشكل كاف. يدعو المؤلفون إلى إجراء أبحاث تجريبية واسعة النطاق وإقامة معايير وقوانين للسلامة لمعالجة هذه التحديات. فقط من خلال التغلب على هذه العقبات يمكن تحقيق التطبيق الناجح على نطاق واسع لمواد المستشعرات الجديدة في الزراعة. بالإضافة إلى ذلك، تصف هذه القسم بإيجاز مستشعرات التربة المختلفة، بما في ذلك مستشعر الجرافين متعدد المعلمات المحفز بأكسيد الفاناديوم ومستشعرات أخرى تقيس خصائص التربة مثل الخصائص الحرارية، ومحتوى الماء، والجهد المائي (Yang et al., 2023; Kojima et al., 2021a; Kojima et al., 2023b).
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في الورقة البحثية الضوء على التقدمات في تكنولوجيا مستشعرات الزراعة، مع التأكيد على أهمية التكيف العالي، والموثوقية، والدقة، والجدوى الاقتصادية لمراقبة المحاصيل بشكل فعال. لقد عززت التقنيات الناشئة مثل استشعار الميكرو-نانومتر، والإلكترونيات المرنة، والأنظمة الميكرو-إلكترو-ميكانيكية (MEMS) بشكل كبير قدرات مستشعرات الزراعة. على سبيل المثال، تدمج تكنولوجيا استشعار الميكرو-نانومتر المواد النانوية لتحسين الحساسية والدقة في مراقبة استجابات النباتات للضغوط البيئية، بينما تمكّن الإلكترونيات المرنة من تطوير مستشعرات تت conform إلى أسطح النباتات، مما يسمح بالمراقبة في الوقت الحقيقي لمختلف المعلمات الفسيولوجية.
تناقش الورقة أيضًا دمج هذه التقنيات، مما أدى إلى إنشاء مستشعرات قابلة للارتداء متطورة قادرة على المراقبة غير الغازية لصحة المحاصيل والظروف البيئية. تسهم تقنيات MEMS/NEMS بشكل أكبر في هذا المجال من خلال توفير حساسية عالية واستهلاك منخفض للطاقة، مما يسهل تطوير مستشعرات مدمجة وفعالة. يمثل تلاقي هذه التقنيات الاستشعار المتقدمة مع أنظمة المعلومات الحديثة، مثل الذكاء الاصطناعي وإنترنت الأشياء، فرصًا جديدة للزراعة الذكية، مما يمكّن من المراقبة الدقيقة وإدارة معلومات المحاصيل، مما يعزز في النهاية إنتاجية الزراعة واستدامتها.
DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2024.1490801
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39840367
Publication Date: 2025-01-07
Author(s): Fucheng Zhang et al.
Primary Topic: Smart Agriculture and AI
Overview
This section provides an overview of the critical role of advanced sensors in smart agriculture, emphasizing their importance in data acquisition for crop planting decision management. The review highlights recent advancements in sensor technology, driven by innovations in micro-nano technology, flexible electronics, and micro-electromechanical systems (MEMS). These developments have led to sensors that are more accurate, stable, and capable of operating in diverse planting environments.
The paper systematically discusses the latest trends in sensor principles, fabrication processes, and performance metrics, particularly in relation to soil and various crop scenarios. It concludes by addressing future opportunities and challenges, suggesting that the integration of advanced technologies, such as nanotechnology and artificial intelligence (AI), has the potential to significantly enhance the precision and intelligence of agricultural sensors, paving the way for transformative innovations in the field.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the transformative impact of modern information technology on agriculture, particularly through the shift from traditional farming to smart farming practices. This transition is essential for addressing food security and promoting sustainable agricultural development. Central to smart farming are sensors, which facilitate real-time monitoring of both internal crop conditions—such as biochemical properties and health characteristics—and external environmental factors like soil moisture and nutrient levels. Notable advancements include the development of low-cost point-of-use sensors for soil fertilization and nanosensors for detecting plant health indicators, which enable farmers to optimize resource use and improve crop yields.
The paper emphasizes the interdisciplinary nature of advancements in agricultural sensors, integrating fields such as crop physiology, electronics, and materials science. It notes the emergence of innovative technologies, including micro-nano sensing and flexible electronics, which enhance the capabilities of agricultural sensors for continuous monitoring. Despite existing reviews on specific sensor technologies, there remains a gap in comprehensive analyses of new advanced sensors in crop planting. This review aims to fill that gap by summarizing recent developments, key manufacturing technologies, and the challenges faced in the field. It outlines the structure of the review, which includes discussions on sensor applications, comparative analyses of multimodal sensors, and future prospects for intelligent data analysis and artificial intelligence in agricultural sensor technology.
Methods
The section discusses the environmental impact and toxicity of novel sensing materials, particularly in the context of emerging technologies such as nanosensors and wearable devices. It emphasizes the necessity of understanding the physiological and biochemical effects of these materials on crops before their widespread use. Key factors to evaluate include the materials’ penetration, absorption, distribution, and fate within plant organs, as well as their potential to harm plant vitality and contribute to environmental pollution. The study highlights the importance of assessing not only the hazardous concentration levels but also characteristics such as size, surface area, surface charge, morphology, surface chemistry, and aggregation, which are all linked to toxicity (Paramo et al., 2020).
While there has been considerable research on the short-term toxicity of nanomaterials to plants, long-term effects on agricultural ecosystems remain underexplored. The authors call for extensive empirical research and the establishment of safety standards and regulations to address these challenges. Only by overcoming these hurdles can the successful large-scale application of new sensor materials in agriculture be achieved. Additionally, the section briefly describes various soil sensors, including the vanadium oxide-doped Laser-Induced graphene multi-parameter sensor and others that measure soil properties such as thermal characteristics, water content, and matric potential (Yang et al., 2023; Kojima et al., 2021a; Kojima et al., 2023b).
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the advancements in agricultural sensor technologies, emphasizing the importance of high adaptability, reliability, precision, and cost-effectiveness for effective crop monitoring. Emerging technologies such as micro-nano sensing, flexible electronics, and micro-electromechanical systems (MEMS) have significantly enhanced the capabilities of agricultural sensors. Micro-nano sensing technology, for instance, integrates nanomaterials to improve sensitivity and precision in monitoring plant responses to environmental stresses, while flexible electronics enable the development of sensors that conform to plant surfaces, allowing for real-time monitoring of various physiological parameters.
The paper also discusses the integration of these technologies, which has led to the creation of sophisticated wearable sensors capable of non-invasive monitoring of crop health and environmental conditions. MEMS/NEMS technologies further contribute to this field by providing high sensitivity and low power consumption, facilitating the development of compact and efficient sensors. The convergence of these advanced sensing technologies with modern information systems, such as artificial intelligence and IoT, presents new opportunities for smart agriculture, enabling precise monitoring and management of crop information, ultimately enhancing agricultural productivity and sustainability.