Графеновая татуировка на листе как датчик влажности
Увлажненный лист всегда здоровый. Такое правило работает для листьев полевых культур у фермеров и для листвы деревьев в районах, где часто вспыхивают лесные пожары.
Классические методы оценки влажности листьев подразумевают их отрезание от растения. Это долго, плюс невозможно отслеживать состояние вживую. Исследователи поэтому создают сенсоры для моментальной проверки самочувствия растений.
Команда из Техаса придумала графеновую наклейку, которую просто прилепляют к листу — и получают данные о влажности прямо сейчас. Ученые уверены: такие патчи послужат основой свежей системы слежки за растениями. Они превратят их в нейронную сеть, способную обрабатывать информацию непосредственно на самих растениях.
Мы измеряем не только влажность, но превращаем сенсор в искусственный синапс для нейронной сети, — объясняет Жан Анн Инкорвия, доцент кафедры электротехники и компьютерной инженерии Университета Техаса в Остине. Инкорвия с коллегами, в том числе аспирантом Уткаршем Мисрой, описали разработку в журнале Nano Letters в феврале.
Лес завтрашнего дня, по их замыслу, заполнят связанные сенсоры. Они в реальном времени оценят угрозу засухи или пожара.
Графеновая татуировка на листе как датчик влажности
Сенсор представляет собой графеновый лоскут, который переносят на лист растения — в экспериментах взяли монстеру — словно наклейку. По сути это трехэлектродный транзистор: графеновый канал, золотые полоски в роли электродов, а диэлектриком выступает сам лист.
Устройство фиксирует уровень увлажненности листа вживую. Оно посылает электрический импульс внутрь листа, заставляя ионы перемещаться. Это влияет на проводимость графена. Степень этих сдвигов прямо связана с количеством влаги в листе, поэтому данные считываются без дополнительной обработки.
Графен идеален для такой роли. Он почти невидимый, пропускает свет, не мешает фотосинтезу. Плюс гнется и тянется вместе с листом — когда тот растет, сохнет или изгибается.
Похожие графеновые сенсоры уже бывали, но датчики влажности в реальном времени на полях редкость. Авторы надеются переломить ситуацию: их изобретение войдет в нейронную сеть, поскольку имитирует синапс мозга.
В нейронах активность усиливает или ослабляет связи. Аналогично здесь: специальные импульсы чуть повышают или понижают проводимость сенсора. После импульса исходное значение восстанавливается не сразу — примерно за 90 секунд. За это время устройство хранит информацию как кратковременная память.
Ученые видят потенциал: искусственные синаптические свойства позволят настраивать и сохранять веса нейронной сети.
В лаборатории изучают монстеру с сенсорами на каждом листе.
Нейроморфные вычисления на растениях
Лаборатория Инкорвии годы занимается устройствами для нейроморфных вычислений — без листьев. Они конструируют транзисторы из графена и Nafion, полимера-проводника протонов. Импульс тока регулирует миграцию протонов в Nafion, а значит, и поток электронов через графен. Так устройства получают нужные веса в сети.
Майя Борович, студентка, приезжавшая в лабораторию на лето, обратила внимание: лист тоже пропускает протоны. Зачем не заменить Nafion на живую ткань?
Они опробовали идею пару лет назад — получилось. Реакция: круто, но пока отложим. Прошло время, и Инкорвия познакомилась с Эшли Мэсени, геологом. Та ищет способы точнее отслеживать влажность в лесах. Разговор показал: такие сенсоры реально нужны.
В свежей работе команда показала вариант будущего. Они настроили простую нейросеть — однослойный персептрон. Она анализирует сигналы сенсора и определяет состояние листа: увлажненный, нормальный или засушливый.
Обучение прошло на внешнем оборудовании, но свойства сенсора как синапса дают надежду запустить похожие сети прямо на растениях.
Инкорвия представляет сеть, объединяющую сенсоры на листьях с устройствами в почве и древесном соке. Фермеры получат инструмент для контроля полей в эпоху засух от изменения климата. Лесники — свежие данные о сухих листьях, готовых разгореться.
Это будет нейросеть из деревьев, сканирующая весь лес, — предполагает Инкорвия.