Agricultura do Futuro: Sensores Biodegradáveis da USP Monitoram Plantas em Tempo Real e Detectam Pesticidas

Imagine uma fazenda onde cada planta é capaz de comunicar seu estado de saúde instantaneamente. Um sensor minúsculo, vestível e totalmente biodegradável está fixado em uma folha de tomate, monitorando não apenas o nível de água e nutrientes, mas também alertando sobre a presença de pesticidas prejudiciais ou o início de uma doença, tudo em tempo real. Essa visão está se tornando realidade graças a uma equipe multidisciplinar de pesquisadores da Universidade de São Paulo (USP) que desenvolveu sensores de monitoramento de plantas revolucionários.

Neste artigo, exploramos a engenharia sofisticada por trás desses dispositivos, seu potencial para transformar a agricultura de precisão e como eles se alinham com as principais tecnologias emergentes globais, mantendo um compromisso rigoroso com a sustentabilidade.

A Engenharia de Sensores Vestíveis: O Potencial para a Agricultura Moderna

A engenharia de sensores vestíveis foi eleita pelo Fórum Econômico Mundial entre as dez principais tecnologias emergentes de 2023, um reconhecimento claro de seu potencial transformador. No entanto, a maioria dos dispositivos atuais é fabricada com polímeros plásticos de origem não renovável, o que apresenta dois grandes desafios: a pegada ambiental negativa e a baixa aderência em superfícies biológicas irregulares.

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A equipe da USP, liderada pelo professor Paulo Augusto Raymundo-Pereira, do Instituto de Física de São Carlos (IFSC-USP), abordou esses problemas de frente. O resultado é um sensor inovador fabricado a partir de acetato de celulose, um material flexível e de origem vegetal que pode ser produzido a partir de diversos resíduos agrícolas. “A celulose é o polissacarídeo natural mais abundante na Terra”, explica Raymundo-Pereira. “Apresenta biocompatibilidade excepcional, alta estabilidade térmica e flexibilidade. É atóxico, econômico, acessível, biodegradável, leve e fácil de manusear.“

Essas características permitem que o sensor se adapte perfeitamente à superfície irregular de diferentes órgãos vegetais, como caules, cascas e folhas, possibilitando uma medição precisa de temperatura, umidade, desidratação e uma variedade de biomarcadores e substâncias químicas sem prejudicar a planta.

O Funcionamento do Sensor: Detecção de Pesticidas em Tempo Real

Cada dispositivo de acetato de celulose possui duas unidades sensoriais que empregam técnicas de análise diferentes para detectar três classes específicas de pesticidas em uma única medição: diquat, carbendazim e difenilamina.

A análise é realizada na superfície da planta, mas exige um meio aquoso (uma gota d’água) para haver condutividade. O sensor é posicionado sobre a gota d’água acumulada em sulcos naturais das folhas ou em depressões do pedúnculo do tomate ou da maçã, por exemplo. Em apenas três minutos e vinte e oito segundos, o dispositivo conclui todas as aferições, permitindo uma detecção não destrutiva, rápida, in loco e descentralizada.

O sistema é integrado a um potenciostato portátil sem fio, um aparelho comercial que controla a voltagem e mede a corrente elétrica para detectar e quantificar as substâncias químicas. Os dados da análise são exibidos em tempo real em um celular por meio de comunicação sem fio via bluetooth, fornecendo bioinformação instantânea sobre o estado de saúde da planta e os fatores ambientais circundantes.

Sustentabilidade no Coração do Design: Biodegradabilidade e Custo-Benefício

Um aspecto crucial desses sensores é o seu compromisso com a sustentabilidade e a viabilidade econômica para o agricultor. Cada unidade custa apenas US$ 0,077, tornando-a acessível para uso em larga escala. No entanto, como os sensores são de uso único, eles também devem ser biodegradáveis para evitar o acúmulo de resíduos eletrônicos no campo.

“Já o nosso sensor é feito de acetato de celulose, material flexível de origem vegetal”, afirma Raymundo-Pereira. “O sensor vestível tem a vantagem de ser aplicado diretamente na amostra, ao passo que a luva tem de ser manipulada. Além do mais, a luva é feita de um material que não é biodegradável, enquanto o sensor vestível é totalmente biodegradável e reaproveitável para a confecção de novos sensores.“

Essa capacidade de reciclagem é um grande diferencial. É possível queimar os sensores usados em condições específicas e obter a tinta de carbono necessária para produzir novos dispositivos, fechando um ciclo de produção sustentável e eficiente.

Simulando a Vida Real: Testes Práticos e Aplicações Diversas

O teste dos sensores vestíveis simulou uma situação real de uso. Primeiro, uma solução do pesticida foi borrifada na casca de maçãs e pimentões em uma concentração de 1.000 micrômetros, e os alimentos foram deixados para secar por cinco horas. Em seguida, o sensor foi fixado na casca e, para permitir a leitura elétrica e química, adicionou-se uma gota de 500 microlitros de uma solução de tampão fosfato.

Os resultados demonstraram a eficácia da tecnologia na detecção e quantificação in loco dos pesticidas na superfície dos alimentos, confirmando seu potencial para garantir a segurança alimentar e a eficiência do manejo agrícola.

Mas as aplicações não param por aí. “É possível detectar a presença de pesticidas na saliva das pessoas, ou mesmo na água da torneira. Fizemos os testes. Amostras de saliva humana e água da torneira foram adicionadas de pesticidas e analisadas com o sensor para prever os níveis de resíduos”, revela Raymundo-Pereira. “Também é possível usar para mensurar componentes presentes na urina e no suor.“

A adaptação da tecnologia para uso agrícola foi uma ideia de Raymundo-Pereira após um estágio no Centro de Sensores Vestíveis da Universidade da Califórnia, em San Diego, onde o uso é direcionado para humanos. “Já que boa parte do PIB [Produto Interno Bruto] brasileiro se concentra no setor agrícola, eu pensei: por que não adaptar a tecnologia? Os primeiros biodegradáveis, de origem natural, são os nossos, que também podem ser adaptados para uso em humanos.“

Um Esforço Multidisciplinar e Patentes Registradas

O desenvolvimento dessa tecnologia inovadora é fruto do trabalho de uma equipe multidisciplinar que, além de pesquisadores da USP, conta com as pesquisadoras Samiris Teixeira, Nilda de F.F. Soares e Taíla de Oliveira, da Universidade Federal de Viçosa. Os pedidos de patente, tanto do sensor vestível quanto de uma luva com sensores nas pontas dos dedos desenvolvida anteriormente pela equipe em 2022 para fins semelhantes, já foram depositados no Instituto Nacional da Propriedade Industrial (INPI).

A FAPESP apoiou o trabalho por meio de Bolsas de Pós-Doutorado, Auxílios à Pesquisa Regular e Fixação de Novos Doutores, reforçando o compromisso com a ciência brasileira e a inovação tecnológica.

À medida que os desafios climáticos e populacionais exigem práticas agrícolas cada vez mais eficientes e sustentáveis, inovações como os sensores biodegradáveis da USP representam um passo crucial em direção a um futuro onde a tecnologia e a natureza caminham de mãos dadas para garantir a segurança alimentar e a preservação do meio ambiente.

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