Una hoja hidratada es una hoja sana. Eso es cierto tanto para las hojas de los cultivos en el campo de un agricultor como para las hojas de los arboles en areas vulnerables a incendios forestales. Pero las tecnicas tradicionales para monitorear la hidratacion de las hojas requieren cortarlas de la planta, lo que toma tiempo y no entrega lecturas continuas en tiempo real.
Ahora, investigadores en Texas desarrollaron un tatuaje de grafeno que se pega directamente sobre una hoja para entregar lecturas de humedad en tiempo real. Los investigadores creen que tambien podria ser el bloque de construccion para un nuevo tipo de monitoreo de plantas, transformando los parches en una red neural que computa sobre las plantas mismas.
"No solo estamos sensando el nivel de humedad, sino que podemos hacer que ese sensor actue como una sinapsis artificial, que despues podemos meter en una red neural", dice Jean Anne Incorvia, profesora asociada de ingenieria electrica y computacional en la Universidad de Texas en Austin. Incorvia y sus colegas, incluido su estudiante de posgrado Utkarsh Misra, publicaron su trabajo en Nano Letters en febrero.
Un bosque del futuro, piensa Incorvia, podria contener una arboleda completa de sensores en red para medir el riesgo de incendio o sequia en tiempo real.
¿Como funciona un tatuaje de grafeno como sensor de humedad?
El sensor es un parche de grafeno que se pega sobre la hoja de una planta (los investigadores usaron Monstera) como un tatuaje de calcomania. Funciona como una especie de transistor de tres terminales, con un canal de grafeno, tiras de oro como electrodos y la hoja misma como aislante dielectrico.
El sensor puede medir el nivel de hidratacion de la hoja en tiempo real enviando un pulso electrico hacia la hoja, lo que mueve iones en su interior y cambia la conductancia del grafeno. Las magnitudes de esos cambios de conductancia dependen de la humedad dentro de la hoja, asi que los investigadores pueden leer la hidratacion sin necesidad de procesamiento externo.
El grafeno es un material adecuado para un tatuaje sobre hoja. Es casi transparente, asi que no bloquea la luz ni perturba la fotosintesis. Puede estirarse y contraerse a medida que la hoja crece, se contrae o se tuerce.
No es el primer sensor de grafeno de este tipo, pero los sensores de hidratacion en tiempo real no son comunes en el campo. Los investigadores esperan que este nuevo sensor pueda cambiar eso al encajar en una red neural, porque tambien funciona como una sinapsis en el cerebro.
¿Por que el sensor se comporta como una sinapsis?
En particular, asi como la actividad neuronal puede fortalecer o debilitar una sinapsis, los investigadores pueden usar pulsos electricos especificos para ajustar ligeramente la conductancia del sensor hacia arriba o hacia abajo. Ademas, despues de que termina el pulso, el sensor vuelve a su conductancia original lentamente, en alrededor de 90 segundos. En ese tiempo, el sensor puede actuar como una especie de memoria de corto plazo.
Los investigadores imaginan que podrian usar esas cualidades de sinapsis artificial para ajustar y almacenar pesos de una red neural.
¿Computacion neuromorfica sobre plantas?
Durante varios años, el grupo de Incorvia diseño dispositivos para este tipo de computacion neuromorfica que no usaban hojas. Tipicamente fabricaron transistores con grafeno y Nafion, un polimero que es buen conductor de protones. Con un pulso de corriente, los transistores pueden controlar cuantos protones migran dentro del Nafion y, en consecuencia, cuantos electrones cruzan el canal de grafeno. Asi los dispositivos pueden tomar distintos pesos dentro de una red.
Maya Borowicz, una estudiante de pregrado que visito el lab de Incorvia durante un verano, noto que una hoja de planta tambien podia conducir protones. ¿Por que no cambiar el Nafion, sugirio Borowicz, por algo parte-hoja?
"Lo hicimos hace algunos años, funciono y dijimos: 'esto es genial'", cuenta Incorvia. Al principio, no estaban seguros como usarlo. "Mas o menos lo dejamos en stand-by".
Pasaron meses antes de que Incorvia tuviera un encuentro con Ashley Matheny, una geologa que trabaja en mejores formas de monitorear niveles de humedad en bosques. "A traves de hablar con ella me di cuenta de que efectivamente hay una buena propuesta de valor para necesitar este tipo de sensores", dice Incorvia.
Ahora, en su trabajo, Incorvia y sus colegas demostraron un futuro posible. Entrenaron una red neural relativamente simple llamada perceptron de capa unica para examinar las lecturas del sensor y clasificar la hoja como hidratada, normal o en condicion de sequia.
Una red neural de arboles para detectar incendios
Este modelo corrio en hardware externo, pero los investigadores esperan que la calidad del sensor como sinapsis artificial le permita correr redes similares en las plantas mismas.
Incorvia imagina una red que ate sensores montados en hojas con otros en suelo y savia. Los agricultores podrian usarla para monitorear sus campos frente a la sequia inducida por el cambio climatico; los guardaparques podrian recibir actualizaciones en vivo sobre la cantidad de hojas secas que podrian alimentar un incendio.
"Podrias imaginar una red neural de arboles, donde estariamos sensando a traves del bosque entero", dice Incorvia.
Mas alla del monitoreo agricola y forestal, las cualidades del sensor podrian extenderse a otros sustratos vivos donde el ion-driven gating es accesible. El proximo paso del grupo es probar si el comportamiento sinaptico se mantiene en plantas de distinto tamaño y bajo diferentes regimenes de luz y humedad ambiental.
