فناوری توسعه یافته توسط مهندسان MIT باعث می شود سموم دفع آفات به برگهای گیاهی بچسبند | اخبار MIT

کاهش میزان اسپری های کشاورزی مورد استفاده کشاورزان – از جمله کود ، سموم دفع آفات و علف کش ها – می تواند میزان رواناب آلاینده را که در محیط به پایان می رسد کاهش دهد و در عین حال کاهش هزینه های کشاورزان و شاید حتی افزایش بهره وری آنها. یک برد برنده کلاسیک.

تیمی از محققان MIT و یک شرکت Spinoff که آنها راه اندازی کردند ، سیستمی را برای انجام این کار ایجاد کرده اند. فناوری آنها یک پوشش نازک را در اطراف قطرات اضافه می کند زیرا روی یک میدان پاشیده می شوند و تمایل آنها به گزاف گویی برگها را تا حد زیادی کاهش می دهد و در نهایت بر روی زمین هدر می رود. در عوض ، قطرات روکش دار مطابق آنچه در نظر گرفته شده به برگها می چسبند.

تحقیق است امروز در ژورنال شرح داده شده است ماده نرم، در مقاله ای از فارغ التحصیلان اخیر MIT Vishnu Jayaprakash دکترا ’22 و Sreedath Panat ’23 ، دانشجوی فارغ التحصیل سیمون روفر و استاد MIT مهندسی مکانیک Kripa Varanasi.

یک مطالعه جدید دریافت که اگر کشاورزان از سموم دفع آفات استفاده نکردند ، 78 درصد از میوه ، 54 درصد سبزیجات و 32 درصد از تولید غلات را از دست می دهند. علیرغم اهمیت آنها ، عدم وجود فناوری که نظارت و بهینه سازی اسپری ها باعث شده است تا کشاورزان به تجربه شخصی و قوانین شست برای تصمیم گیری در مورد نحوه استفاده از این مواد شیمیایی اعتماد کنند. در نتیجه ، این مواد شیمیایی بیش از حد به وجود می آیند و منجر به رواناب و مواد شیمیایی می شوند که در آبراه ها به پایان می رسند یا در خاک ساخته می شوند.

محققان خاطرنشان می كنند كه سموم دفع آفات بر سلامت جهانی و محیط زیست تأثیر قابل توجهی می كنند. یک مطالعه جدید نشان داد که 31 درصد از خاکهای کشاورزی در سراسر جهان در معرض خطر آلودگی سموم دفع آفات قرار دارند. و مواد شیمیایی کشاورزی هزینه عمده ای برای کشاورزان است: در ایالات متحده ، آنها سالانه 16 میلیارد دلار صرفاً برای سموم دفع آفات هزینه می کنند.

کارآمدتر کردن سمپاشی یکی از بهترین راهها برای پایدارتر و اقتصادی تر تولید مواد غذایی است. پاشش کشاورزی اساساً به مخلوط کردن مواد شیمیایی در آب و پاشیدن قطرات آب روی برگهای گیاهی ، که اغلب ذاتاً از نظر آب ضد آب هستند ، جوش می خورد. Varanasi می گوید: “بیش از یک دهه تحقیق در آزمایشگاه من در MIT ، ما درک اساسی از پاشش و تعامل بین قطرات و گیاهان را توسعه داده ایم – مطالعه در هنگام گزاف گویی و تمام راه هایی که باید آنها را بهتر بچسبانیم و پوشش را تقویت کنیم.”

این تیم پیش از این راهی برای کاهش میزان مایع پاشیده شده که از برگهای آن دور می شود ، پیدا کرده بود ، که شامل استفاده از دو نازل اسپری به جای یک و پاشش مخلوط ها با بارهای الکتریکی مخالف بود. اما آنها دریافتند که کشاورزان تمایلی به در نظر گرفتن هزینه و تلاش برای تبدیل تجهیزات پاشش خود به یک سیستم دو نواز ندارند. بنابراین ، تیم به دنبال یک جایگزین ساده تر بود.

آنها کشف کردند که می توانند با استفاده از یک سیستم تک نوزمه ای که به راحتی با سمپاشهای موجود سازگار است ، به همان پیشرفت در نگهداری قطرات دست یابند. آنها به جای اینکه قطرات سموم دفع آفات را به یک بار الکتریکی بدهند ، هر قطره را با یک لایه نازک و نازک از یک ماده روغنی می پوشانند.

در مطالعه جدید خود ، آنها آزمایش های آزمایشگاهی را با دوربین های پر سرعت انجام دادند. هنگامی که آنها قطرات را بدون هیچ گونه درمان خاصی بر روی یک سطح ضد آب (آبگریز) شبیه به بسیاری از برگهای گیاهی اسپری می کردند ، قطرات در ابتدا درون یک دیسک مانند پنکیک پخش می شدند ، سپس دوباره به یک توپ برگشتند و دور شدند. اما هنگامی که محققان سطح قطرات را با مقدار کمی روغن پوشش دادند – کمتر از 1 درصد از مایع قطرات را تشکیل می دادند – قطرات پخش شده و سپس در آن قرار گرفتند. این درمان “چسبندگی” قطرات را به اندازه صد برابر بهبود بخشید.

روفر می گوید: “هنگامی که این قطرات به سطح ضربه می زنند و هرچه گسترش می یابند ، این حلقه روغن را تشکیل می دهند که اساساً قطرات را به سطح می اندازد.” او می گوید ، محققان شرایط متنوعی را امتحان کردند ، و توضیح دادند که آنها صدها آزمایش را انجام داده اند ، “با سرعت تأثیر متفاوت ، اندازه قطرات مختلف ، زوایای مختلف تمایل ، همه مواردی که این پدیده را کاملاً توصیف می کند.” گرچه روغنهای مختلف در اثربخشی آنها متفاوت بودند ، اما همه آنها مؤثر بودند. وی می گوید: “صرف نظر از سرعت ضربه و روغن ها ، دیدیم که ارتفاع ریباند به طور قابل توجهی پایین تر است.”

این اثر با مقادیر قابل ملاحظه ای روغن کار می کند. در آزمایشات اولیه خود آنها از 1 درصد روغن در مقایسه با آب استفاده کردند ، سپس آنها 0.1 درصد و حتی 0.01 را امتحان کردند. بهبود قطرات چسبیده به سطح با 0.1 درصد ادامه یافت ، اما فراتر از آن شروع به تجزیه شد. روفر می گوید: “اساساً ، این فیلم نفتی به عنوان راهی برای به دام انداختن آن قطرات روی سطح عمل می کند ، زیرا روغن بسیار جذب شده به سطح است و نوع آب را در جای خود نگه می دارد.”

در آزمایشات اولیه محققان ، آنها از روغن سویا برای پوشش استفاده می کردند ، تصور می کرد که این یک ماده آشنا برای کشاورزانی است که با آنها کار می کردند ، که بسیاری از آنها سویا در حال رشد بودند. اما معلوم شد که اگرچه آنها لوبیا را تولید می کردند ، روغن بخشی از زنجیره تأمین معمول آنها برای استفاده در مزرعه نبود. در آزمایشات بیشتر ، محققان دریافتند که چندین ماده شیمیایی که کشاورزان قبلاً به طور معمول در اسپری خود از آن استفاده می کردند ، به نام سورفاکتانت ها و کمکی ها استفاده می کردند ، به جای آن می توان از آنها استفاده کرد و برخی از اینها مزایای یکسانی را برای نگه داشتن قطرات روی برگها فراهم می کنند.

Varanasi می گوید: “از این طریق ،” ما یک ماده شیمیایی جدید یا تغییر شکل شیمیایی را به میدان خود معرفی نمی کنیم ، اما آنها از چیزهایی استفاده می کنند که مدت طولانی است. “

Varanasi و Jayaprakash شرکتی به نام Agzen را برای تجاری سازی سیستم تشکیل دادند. به منظور اثبات اینکه سیستم پوشش آنها چقدر میزان اسپری موجود در گیاه را بهبود می بخشد ، ابتدا مجبور بودند سیستمی را برای نظارت بر سمپاش در زمان واقعی ایجاد کنند. این سیستم ، که آنها را Realcoverage می نامند ، در مزارع مختلف از چند ده هکتار تا صدها هزار هکتار و بسیاری از انواع مختلف محصولات زراعی مستقر شده است و فقط با بهبود کنترل های موجود در اسپری های موجود ، 30 تا 50 درصد در هزینه های سموم دفع آفات خود را نجات داده است. این شرکت می گوید ، این سیستم در سال 2025 به 920،000 هکتار از محصولات زراعی اعزام شده است ، از جمله برخی در کالیفرنیا ، تگزاس ، میدوست ، فرانسه و ایتالیا. محققان می گویند ، افزودن سیستم مخفی با استفاده از نازل های جدید ، باید حداقل دو برابر شدن کارآیی را به همراه داشته باشد.

جیاپراكاش ، نویسنده اصلی مقاله تحقیق و مدیرعامل Agzen می گوید: “اگر فقط 6 درصد از بودجه سموم دفع آفات آنها را پس انداز كردید ، می توانید یك میلیارد دلار به ما بازگردانید.” “در آزمایشگاه ما 300 درصد محصول اضافی را روی گیاه گرفتیم. به این معنی که می توانیم سفارشات کاهش بزرگی را در میزان سموم دفع آفات که کشاورزان اسپری می کنند ، دریافت کنیم.”

کشاورزان قبلاً از این مواد شیمیایی سورفاکتانت و کمکی به عنوان راهی برای تقویت اثربخشی پاشش استفاده کرده بودند ، اما آنها آن را با محلول آب مخلوط می کردند. برای اینکه تأثیر آن باشد ، آنها مجبور بودند خیلی بیشتر از این مواد را استفاده کنند و باعث ایجاد سوختگی به گیاهان می شوند. سیستم پوشش جدید ضمن بهبود اثربخشی آنها ، میزان این مواد مورد نیاز را کاهش می دهد.

جیاپراكاش می گوید ، در تست های میدانی كه توسط اگزن انجام شده است ، “ما مقدار محصول كل و سویا را فقط با تغییر مکان كوچك ، دو برابر كردیم.” از مخلوط تا یك پوشش. این برای کشاورزان راحت است زیرا “تمام کاری که آنها انجام می دهند تغییر نازل خود را دارد. آنها تمام مواد شیمیایی موجود خود را برای بهتر کار می کنند ، و آنها محصول بیشتری را در گیاه دریافت می کنند.”

و این فقط برای سموم دفع آفات نیست. Varanasi می گوید: “نکته بسیار جالب این است که این برای هر شیمی که روی برگ می رود مفید است ، خواه یک حشره کش ، علف کش ، قارچ کش یا تغذیه شاخ و برگ باشد.” امسال ، آنها قصد دارند سیستم اسپری جدید را در حدود 30،000 هکتار از مزارع محصول معرفی کنند.

واراناسی می گوید: با رشد جمعیت پیش بینی شده در جهان ، “میزان تولید مواد غذایی دو برابر شده است ، و ما در منابع زیادی محدود هستیم ، به عنوان مثال ما نمی توانیم زمین زراعی را دو برابر کنیم. … این بدان معنی است که هر هکتار که در حال حاضر مزرعه ما باید کارآمدتر شوند و بتوانیم با کمتر کمتر کار کنیم.” این فن آوری های اسپری بهبود یافته ، برای نظارت بر پاشش و پوشش قطرات ، Varanasi می گوید: “من فکر می کنم اساساً در حال تغییر کشاورزی است.”

Agzen اخیراً برای حمایت از استقرار سریع تجاری این فناوری ها که می تواند کنترل ورودی های شیمیایی را به کشاورزی بهبود بخشد ، 10 میلیون دلار بودجه سرمایه گذاری جمع آوری کرده است. Varanasi می گوید: “دانش ما از هر برگ ، همراه با تخصص ما در علوم سطحی و مکانیک سیالات ، به ما بینش بی نظیری می دهد که می توانیم از نحوه استفاده و توسعه مواد شیمیایی استفاده کنیم.