کاربردهای فناوری فوتونیک در کشاورزی را بشناسید

کشاورزان می‌توانند با تکیه بر رویکردهای علمی، محصولات و سودشان را به حداکثر برسانند و در عین حال، کمترین آسیب ممکن را به محیط‌زیست وارد کنند. در این میان، عناصر دیداری به تشخیص بیماری‌های گیاهی، درمان آفت، جمع‌آوری داده و محافظت از حیات‌وحش در برابر کاربرد ماشین‌آلات سنگین کمک می‌کنند.

تغییرات جوی، رشد بی‌اندازه جمعیت و نبود آب و زمین کافی برای زراعت، از جمله عواملی هستند که باعث می‌شوند به دنبال رویه‌ها و شیوه‌های نوآورانه در حوزه‌ کشاورزی باشیم، تا بلکه بتوانیم نیازهای غذایی روزافزون ساکنان زمین را پاسخگو باشیم و در عین حال، آسیب وارده به محیط‌زیست را به حداقل برسانیم. فناوری فوتونیک Photonics در کشاورزی تاکنون سهم پررنگی در مدرن‌سازی صنعت غذایی داشته و مسیر را برای رویکردهای مولد، پایدار و دوست‌دار محیط‌زیست، هموار کرده است.

فوتونیک در کشاورزی هوشمند

در سال ۲۰۱۵، سازمان ملل مجموعه اهداف پایدار را معرفی کرد؛ یکی از اهداف این فهرست، ریشه‌کن کردن گرسنگی است که مستلزم توسعه زیرساخت‌ها و فناوری‌های لازم برای مولدتر کردن کشاورزی است.

برای درک بهتر اثرات منفی کشاورزی بر محیط‌زیست، به این آمار و ارقام توجه کنید: کشاورزی مسئول ۷۰ درصد آب مصرفی و ۲۴ درصد تولید گازهای گلخانه‌ای است و از مقصرین اصلی فرسایش محیط‌زیست به شمار می‌رود. واضح است که افزایش تولیدات مواد غذایی از طریق رویه‌های کنونی، هیچ سنخیتی با اهداف پایدار ندارد.

طی سال‌های گذشته، فناوری فوتونیک در کشاورزی هوشمند توانسته است با ایجاد زنجیره ‌ارزشی پایدار در صنعت غذایی، مواد غذایی ایمن، مغذی و ارزان‌قیمت در اختیارمان قرار دهد. به بیان دقیق‌تر، دستگاه‌های طیف‌سنجی Spectrometry devices و دوربین‌های فراطیفی Hyperspectral cameras در انجام انواع مسائل به کشاورزان کمک می‌کنند؛ از جمله‌ مسائل مربوط به فناوری فوتونیک در کشاورزی هوشمند می‌توان به تعیین سطح پروتئین موجود در محصولات گندم، جست‌وجوی آلودگی‌های ممکن در میوه‌ها و سبزیجات و نظارت بر کیفیت آب اشاره کرد. حسگرهای بینایی تعبیه‌شده در پهپادها، هواپیماها و حتی ماهواره‌ها برای نقشه‌برداری زمین‌های کشاورزی از راه دور به کار می‌روند. این دوربین‌ها می‌توانند تأثیرات گسترده کشاورزی را اندازه بگیرند و بدین ترتیب، آسیب واردشده به محیط‌زیست را کاهش دهند.

افزایش پسماندهای غذایی یکی دیگر از چالش‌های عمده زنجیره‌ غذایی است. یک‌سوم از تولیدات غذایی در طول برداشت، پردازش، توزیع یا هنگام مصرف، دور ریخته می‌شوند. در این حوزه، فناوری فوتونیک در کشاورزی هوشمند کمک شایانی به تولید و همچنین، مصرف غذا کرده است. برای مثال، دوربین‌های فراطیفی می‌توانند میزان رسیدگی میوه‌ها و زمان مناسب چیدن آن‌ها را تعیین کنند. به علاوه، قابلیت‌های تصویربرداری و برچسب‌زنی امکان پردازش و توزیع سریع‌تر مواد غذایی را فراهم آورده‌اند. در مرحله‌ مصرف نیز می‌توان با تکیه بر طیف‌سنجی فلورسانس Fluorescence Spectroscopy، بر عناصر موجود در مواد غذایی، از جمله آمینواسیدها و ویتامین‌ها نظارت کرد.

کاربردهای فناوری فوتونیک در کشاورزی

شرکت‌های بزرگی همچون FESTO و John Deere، حسگرهای بینایی را در سیستم‌های خودکارسازی و ماشین‌آلات سنگین خود تعبیه کرده‌اند. راهکارهای دیجیتال مبتنی بر حسگرهای بینایی، امکان تشخیص دقیق حشرات را فراهم می‌آورند. به همین دلیل، این قابلیت‌ها را می‌توان به‌عنوان بخشی از سیستم‌های مدیریت آفت، برای مثال در درمان به موقع یا اسپری هوشمند، به کار برد. یکی از کاربردهای فناوری فوتونیک در کشاورزی ساخت یک حسگر مفید است. شرکت Optronia، که در سال ۲۰۱۸ در اینسبراک Innsbruck اتریش تأسیس شده است، به‌تازگی حسگری به نام Sendosafe معرفی کرده است که از کشته شدن حیوانات مزرعه به دست ماشین‌آلات سنگین کشاورزی جلوگیری می‌کند. این حسگرها، در کنار دوربین‌های مجهز به هوش مصنوعی و بینایی ماشین، حیوانات را تشخیص می‌دهند و سپس، چرخ‌دنده‌های بُرنده را به صورت خودکار بالا می‌برند، تا صدمه‌ای به حیوان نرسد.

در کشاورزی عمودی Vertical farming، برخلاف کشاورزی سنتی که محصولات را در ردیف‌های افقی کنار هم قرار می‌داد، محصولات را روی یکدیگر کِشت می‌کند. کشاورزی عمودی نیز از مزایای حسگرهای بینایی که جزو کاربردهای فناوری فوتونیک در کشاورزی است، بی‌بهره نمانده است. بعضی شرکت‌ها، از جمله شرکت ایتالیایی Agricola Moderna، از این فناوری استفاده می‌کنند، تا سیستم‌های کنترل خودکار را ارتقاء داده و مسائلی همچون کنترل زیست‌محیطی، تشخیص بیماری و جمع‌آوری داده را به وسیله‌ آن‌ها انجام دهند. بدین ترتیب، از طریق کاربردهای فناوری فوتونیک در کشاورزی فرایندها و محصولات بهینه‌سازی می‌شوند.

یکی دیگر از کاربردهای فناوری فوتونیک در کشاورزی، تصویربرداری فراطیفی است. این تصویربرداری یک فناوری غیرتماسی و غیرتهاجمی است که با کاربردش در صنعت غذایی، می‌توان ابزارهایی پایدار و در عین حال، بهینه به دست آورد. تصویربرداری فراطیفی می‌تواند سطح عناصری همچون نیتروژن، فسفر، پتاسیم و فلانوئید را تعیین کند و بدین طریق، مدیریت محصولات را بر اساس وضعیت سلامت و کیفیت غذایی گیاهان انجام دهد. تصویربرداری فراطیفی در تعیین فنوتیپ گیاهان نیز کاربرد دارد، زیرا اطلاعاتی در مورد دارایی‌های شیمیایی، اندازه و شکل گیاه جمع‌آوری می‌کند، تا مدیریت محصولات را بهینه سازد. پژوهشگاه هلندی OnePlanet را می‌توان پیشگام حسگرهای لحظه‌ای جدید NIR Near-infrared، طیف‌سنجی Raman و تصویربرداری فراطیفی) دانست؛ کشفیات و نوآوری‌های این مرکز پژوهشی، منجر به ادغام فناوری فوتونیک در کشاورزی شده‌اند. یکی از اهداف OnePlanet، آگاهی‌بخشی در رابطه با کاربردهای فناوری فوتونیک در کشاورزی در بهینه‌سازی منابع و کاهش پسماندهاست.

شرکت فناوری SILIOS، واقع در فرانسه، دوربین‌های فشرده و فراطیفی گوناگونی، از جمله سری CMS/CMS4، را طراحی کرده است که دامنه ۴۳۰ تا ۹۳۰ نانومتری را پوشش می‌دهند. محصول دیگر این شرکت TOUCAN نام دارد که سیستم‌های فراطیفی VIS+NIR را با هم ادغام کرده و می‌تواند تصویر را به ده‌ها باند طیفی با گستره‌ای وسیع (۴۰۰ تا ۹۰۰ نانومتر) تقسیم کند. تیری برتو Thierry Berthou، مدیرفروش SILIOS، توضیح می‌دهد: «این دوربین‌ها را می‌توان برای تشخیص زودهنگام بیماری گیاهان و فعالسازی اسپری‌های هوشمند به کار برد، تا بدین ترتیب، میزان استفاده از مواد شیمایی را کاهش داد.»

شرکت فنلاندی Specim نیز مشغول طراحی راهکارهای تصویربرداری فراطیفی برای کاربردهای فناوری فوتونیک در کشاورزی است. مصداق اخیر تلاش‌های این شرکت را می‌توان رویکرد «کشاورزی عمودی» دانست که مصرف خاک و آب را به ترتیب ۹۸ و ۹۵ درصد کاهش داد.

از نظر نور و روشنایی، چراغ‌های QTH (هالوژن تنگستن کوارتزی Quartz Tungsten Halogen) گزینه‌ محبوبی برای تصویربرداری فراطیفی هستند، چون طیف نوری وسیعی (از VISIR تا SWIR) را فراهم می‌آورند. با این حال، علی‌رغم هزینه‌ پایین، معایبی هم دارند که از جمله‌ آن‌ها می‌توان به طول عمر کوتاه و تنظیم مکرر لامپ اشاره کرد. به علاوه، اتلاف گرما در این لامپ‌ها مصرف برق را بالا می‌برد. طراحی، اندازه و هزینه سیستم‌های تصویربرداری فراطیفی نیز با محدودیت‌هایی روبه‌رو هستند. شرکت اسپانیایی ICFO به فکر یافتن جایگزینی برای نور SWIR است و در حال حاضر، با استفاده از CQD (نقاط کوآنتومی کربنی Colloidal Quantum Dots) راهکارهایی انعطاف‌پذیر برای تصویربرداری فراطیفی ارائه می‌دهد.

از سوی دیگر، مرکز الکترونیک و میکروفناوری سوئیس Swiss Center for Electronics and Microtechnology (CSEM) در تلاش است کاربردهای فناوری فوتونیک در کشاورزی را گسترش دهد و فناوری اینترنت اشیاء را وارد صنعت کشاورزی کند. این شرکت قصد دارد سیستم‌های سرراست و به‌صرفه‌ای برای تصویربرداری چندبُعدی طراحی کند که بتوانند تحلیل عمیقی از شرایط محصولات، خاک و آب ارائه دهند. هدف نهایی CSEM توسعه سیستم‌های کاملاً خودکار با قابلیت خودتنظیمی است که کشاورزی را به صنعتی پایدارتر تبدیل می‌کنند.

دوربین فراطیفی خودکار CSEM؛ این دوربین، به کمک قابلیت‌ پردازش داخلی، امکان پردازش لبه را برای انجام مسائل هوش مصنوعی، همچون طبقه‌بندی مواد، فراهم می‌آورد.

با ادغام هوش مصنوعی و فناوری‌های تصویربرداری (دوربین‌های چندطیفی، فراطیفی و RGB)، می‌توان به راهکارهایی دست یافت که به نظارت بر رشد گیاهان و جمع‌آوری و تحلیل حجم بالایی داده کمک می‌کنند. شرکت فنلاندی Spectral Engines سعی دارد با استفاده از هوش مصنوعی و حسگرهای طیفی هوشمند، بازده عملیات‌های کشاورزی را به حداکثر برساند و از این طریق، کاربردهای فناوری فوتونیک در کشاورزی را گسترش دهد؛ در نتیجه، به عنوان مثال، کیفیت شیر تولیدی افزایش می‌یابد، تحلیل دقیق‌تری از وضعیت خاک به دست می‌آید و کوددهی را بهینه‌سازی می‌کند. پژوهشگران شرکت Spectral Engines قصد دارند نقاط قوت حسگرهای طیفی و هوش مصنوعی را با هم ادغام کنند و نتیجه را در سراسر زنجیره غذایی، از جمله تولید، پردازش، لوجیستیک و کنترل کیفیت غذا، به کار بگیرند.

همانطور که گفته شد، حسگرهای دیداری و نرم‌افزارهای هوشمند در استخراج داده‌های عملکردی به کشاورزان کمک می‌کنند و به‌عنوان کاربردهای فناوری فوتونیک در کشاورزی سودمندند؛ با این حال، کاربرد طیف‌سنج‌ها در حسگرها آسان نیست. طیف‌سنج‌ها باید فشرده و مقاوم باشند، تا بتوانند مستقیماً، برای مثال روی ماشین‌آلات برداشت محصول، قرار بگیرند. از سوی دیگر، دقت نتایج این دستگاه‌ها هم باید بالا باشد. شرکت دانمارکی Ibsen Photonics، در راستای غلبه بر این مشکلات، محصولی به نام PEBBLE NIR معرفی کرده است که علاوه بر حساسیت و وضوح دیداری بسیار بالا، در برابر تغییرات دمایی و لرزه نیز مقاوم است. دستگاه ساختار فشرده‌ای دارد و هیچ‌یک از اجزای داخلش معلق نیستند. با کاربرد PEBBLE NIR در نظارت بر میزان کلروفیل، می‌توان دریافت گیاه کود (نیتروژن) کافی دریافت می‌کند یا خیر و این موضوع می‌تواند به‌عنوان یکی دیگر از کاربردهای فناوری فوتونیک در کشاورزی سودمند باشد.

یکی دیگر از کاربردهای فناوری فوتونیک در کشاورزی که در آینده برای صنعت کشاورزی از اهمیت زیادی برخوردار خواهند بود، حسگرها و طیف‌سنج‌های جدید NIR هستند که قرار است خواص شیمیایی زیربنایی مواد را کشف کنند و بسیاری از عملیات‌های کشاورزی را مدرن‌ و هوشمندتر خواهند کرد: کنترل کیفیت، بهینه‌سازی طول عمر محصولات در فروشگاه‌ها، تشخیص زمان مناسب برداشت محصولات، تعیین پارامترهایی همچون رسیدگی، سطح رطوبت و میزان پروتئین میوه‌ها. شرکت هلندی MantiSpectra یک تراشه فوتونیک مینیاتوری، به نام ChipSenc، توسعه داده است که توان ابزارهای آزمایشگاهی NIR را درون یک دستگاه کوچک نیمه‌رسانا جمع می‌کند. این تراشه که به‌زودی به مرحله‌ تولید انبوه می‌رسد، به‌عنوان یکی دیگر از کاربردهای فناوری فوتونیک در کشاورزی، نقش مهمی در تحول صنعت کشاورزی ایفا خواهد کرد.

محصول دیگر MantiSpectra، یک ماژول حسگر دیداری مستقل است که داده‌ تولید می‌کند؛ این داده‌ها در فرایند تحلیل غیرتهاجمی به کار می‌روند، جایی که مسائل طبقه‌بندی و کمی‌سازی را می‌توان در محل On-site یا در خط تولید In-line، انجام داد. با تکیه بر این فناوری، کشاورزان، کارخانجات، تولیدکنندگان غذا، سازندگان تجهیرات و حتی مصرف‌کنندگان قادر خواهند بود، تا بدون ارسال نمونه به آزمایشگاه‌ها، کیفیت غذا را ارزیابی کنند و زنجیره‌های تولید غذا را بهینه سازند و شاید بتوان گفت یکی از مهم‌ترین کاربردهای فناوری فوتونیک در کشاورزی محسوب ‌می‌شود. این حسگر، با قابلیت اندازه‌گیری سریع، آماده است، تا در تجهیزات کنونی و دستگاه‌های جدید تعبیه شود.

شرکت دیگری که طیف‌سنج‌های نوآورانه و مینیاتوری می‌سازد، شرکت Specto Photonics است که در سال ۲۰۱۹ در ایتالیا تأسیس شد. Specto Photonics به‌زودی یک سیستم تمام‌دیداری معرفی خواهد کرد که برای اندازه‌گیری خواص هیدرومکانیک سه‌بُعدی ارگانیزم‌های زنده به کار می‌رود. با استفاده از این سیستم می‌توان محتوای آب را ارزیابی کرد و بدین ترتیب، نظارت بر سلامت گیاهان و ارزیابی کیفیت غذا را ارتقاء داد.

شرکت ایتالیایی FLIM LABS در حوزه‌ طیف‌سنجی فلورسانس و تصویربرداری فلورسانس تخصص دارد. تصویربرداری فلورسانس طول عمر Fluorescence Lifetime Imaging (FLIM)، به صورت میکروسکوپی کمک می‌کند، تا پاسخ گیاه به علف‌کُش‌ها یا شرایط pH در محیط سلولی گیاه را به صورت زنده (در بافت خود گیاه و در شرایط طبیعی) مشاهده کند و این نتیجه علمی در قالب یکی از کاربردهای فناوری فوتونیک در کشاورزی به کار گرفته می‌شود.

یکی از چشمگیرترین اقدامات دیده‌بانی زمین Earth Observation (EO) در حوزه‌ کشاورزی، کاربرد حسگرهای از راه دور برای تهیه‌ تصاویر مستقل از پوشش ابری است؛ این تصاویر می‌توانند شرایط و رطوبت خاک و رشد محصولات در بهار و تابستان را به دقت ارزیابی کنند و تصویری کامل از زمین کشاورزی و وضعیت محصولات در اختیار قرار دهند. با تکیه بر این اطلاعات می‌توان وقوع شرایط جوی نامساعد را زودتر هشدار داد و میزان آسیب محصولات را کمتر کرد. سیستم‌های EO متکی بر قابلیت تفکیک سیگنال‌های دیداری مهم از نویزها هستند و معمولاً از فیلترهای دیداری حساس به طول موج استفاده می‌کنند. شرکت کانادایی Iridian Spectral فیلترهای دیداری گوناگونی در اختیار EO گذاشته است. این فیلترها حساسیت به طول موج را به دو صورت ارائه می‌دهند: فیلترهای میان‌گذر واحد Single bandpass filters، و یا آرایه‌هایی از فیلترهای چندناحیه‌ای MultiZone Filter (MZF) که می‌توانند یک دستگاه تشخیص‌گر را به دستگاهی چندطیفی، با قابلیت تحلیل طول ‌موج‌های گوناگون، تبدیل کنند. این فیلترهای دیداری عناصر کلیدی ابزارهای مبتنی بر فوتونیک EO محسوب می‌شوند که به‌عنوان یکی از کاربردهای فناوری فوتونیک در کشاورزی از اهمیت زیادی برخوردار است.

در همین راستا، شرکت فناوری Chroma خط تولید بینایی ماشینی خود را گسترش داده است، تا طیف SWIR را هم در بر بگیرد. فیلترهای دیداری جدید باند طیفی خاصی از SWIR را با دقتی استثنائی انتقال می‌دهند. از جمله ویژگی‌های کلیدی این فیلترها می‌توان به قدرت انتقال بیشتر از ۹۰ درصد، بلوکه کردن بیشتر از OD4، شیب بالای گذار، منحنی‌های کلاه‌سیلندری، و نسبت بالای سیگنال به نویز اشاره کرد. محصولات Chroma، که طیف ۳۸۰ تا ۲۸۰۰ نانومتر را پوشش می‌دهند، برای کاربرد در انواع نرم‌افزارهای حسگر از راه دور و یادگیری ماشینی همچون LIDAR، تصویربرداری چندطیفی، طبقه‌بندی یا حسگرهای کشاورزی به‌عنوان مجموعه‌ای از کاربردهای فناوری فوتونیک در کشاورزی مناسب هستند.

نتیجه‌گیری

اگر بخواهیم در مجموع به کاربردهای فناوری فوتونیک در کشاورزی اشاره کنیم، می‌توانیم بگوییم فناوری فوتونیک در کشاورزی، از کاهش مصرف مواد شیمیایی از طریق کنترل هوشمند آفت‌ها گرفته تا کاهش ضایعات یا حتی محافظت از حیوانات، کاربرد دارد. به بیان دیگر، فناوری فوتونیک در کشاورزی به کشاورزان کمک می‌کند به رویکردی علمی‌تر روی بیاورند که محصولات و سودشان را به حداکثر می‌رساند و در عین حال، کمترین آسیب را به محیط‌زیست وارد می‌کند. این فناوری در مدرن‌سازی تمام بخش‌های زنجیره غذایی (تولید و پردازش مواد غذایی، لوجیستیک و ارزیابی کیفیت) نقش مهمی بر عهده دارد. واضح است که این پیشرفت‌ها عاملی کلیدی در ارتقای بهره‌وری کشاورزی به شمار می‌روند؛ با این حال، برای تحقق هدف «ریشه‌کن کردن گرسنگی» از فهرست اهداف پایدار، می‌بایست با در پیش گرفتن اقداماتی پیوسته، به چالش‌های دیگر زنجیره تأمین غذا (از جمله افزایش رشد جمعیت، فرسایش خاک، وضعیت جوی، از بین رفتن جنگل‌ها، تولیدات کربن‌دی‌اکسید و کاهش گوناگونی زیستی) نیز رسیدگی کرد.