26. Dez. 2023 (Nanowerk-Scheinwerfer) Forscher versuchen seit langem, Lebensmittel- und Landwirtschaftspraktiken durch fortschrittliche Technologien wie Sensoren und drahtlose Datenübertragung zu verbessern. Anhaltende Herausforderungen bei der effizienten Überwachung der Ernte- und Lebensmittelqualität haben den Fortschritt verlangsamt. Jetzt neue Nanofertigungstechniken und Internet der Dinge (IoT)-Konnektivität könnte bald eine intelligentere, nachhaltige Landwirtschaft ermöglichen, die auf einem Zustrom von Felddaten basiert. Fortschritte in der Sensortechnologie haben eine vielfältige Palette von Instrumenten für Ernährung und Landwirtschaft eingeführt. Dazu gehören Sensoren zur Erkennung spezifischer Krankheitserreger in Lebensmitteln, des Feuchtigkeitsgehalts im Boden und sogar flüchtiger organischer Verbindungen, die von Pflanzen unter Stress freigesetzt werden. Solche Sensoren helfen bei der Früherkennung von Verderb oder Krankheiten und ermöglichen so ein rechtzeitiges Eingreifen. Die Integration dieser Sensoren in IoT-Plattformen ermöglicht eine Echtzeitüberwachung und Datenanalyse und steigert so die Effizienz landwirtschaftlicher Praktiken.
Eine Zeitleiste, die die jährliche Verbesserung von Sensortechnologien und IoT-Geräten für die Lebensmittel- und Pflanzenerkennung abdeckt. (© Wiley-VCH Verlag) Handheld-Geräte und andere tragbare Geräte bleiben jedoch begrenzt, da in der Landwirtschaft und in der Lebensmittelproduktionskette auch heute noch langwierige Labortests vorherrschen. Dies führt zu kritischen Verzögerungen von der Probenentnahme bis zur Entscheidungsfindung, was zu Lebensmittelverschwendung, geringeren Erträgen und Umweltauswirkungen führt. Kraftvolle Innovationen außerhalb der Branche haben neue Möglichkeiten eröffnet. Die Herstellungsfortschritte, die tragbaren Biosensoren für das Gesundheitswesen zugrunde liegen, werden nun auf veterinärmedizinische und landwirtschaftliche Anwendungen übertragen. Gepaart mit drahtlosen Netzwerken und Cloud-Datenanalyse, die durch Fortschritte bei IoT-Plattformen ermöglicht werden künstliche Intelligenz (KI) ermöglichen winzige, montierte Instrumente möglicherweise eine ständige Überwachung der Ernte an der Quelle. Eine aktuelle Veröffentlichung in Fortschrittliche intelligente Systeme („Internet der Dinge-fähige Lebensmittel- und Pflanzensensoren zur Förderung der Nachhaltigkeit“) bietet einen umfassenden Überblick über zwei Schlüsselbereiche: erstens den Einsatz kostengünstiger Hochleistungssensoren zur Verbesserung der Lebensmittelsicherheit, -qualität, des Pflanzenwachstums und des Krankheitsmanagements; und zweitens die Anwendung von IoT-fähigen Sensoren, die Landwirte, Interessenvertreter und die Agrar- und Lebensmittelindustrie durch schnelle Tests und prädiktive Analysen, die aus sensorgenerierten Daten abgeleitet werden, unter Einsatz von KI unterstützen.
Die Automatisierung gebrauchter Werkzeuge bleibt ein Haupthindernis
Während die Tools für die Lebensmittelindustrie billiger, schneller und mobiler geworden sind, stehen Endbenutzer bei der Integration von Sensordaten immer noch vor einem gravierenden Automatisierungsdefizit. Pflanzenprobleme werden oft dann erkannt, wenn es zu spät ist, neue Genbearbeitungs- und Mikrobiommanagementtechniken einzusetzen, die Probleme sonst in einem frühen Stadium neutralisieren könnten. Anbieter älterer Agrartechnologie haben signalisiert, dass eigenständige Instrumente weiterhin Priorität haben, sodass der Sektor bei der Nachrüstung der Konnektivität auf Forscher und Start-ups angewiesen ist. Große Sensorhersteller machen einen breiten Hype um „intelligente“ Landwirtschaft. Eine genauere Analyse zeigt jedoch, dass ihre Angebote immer noch eine umfangreiche praktische Datenerfassung erfordern, wobei IoT-Netzwerke eher als Wunsch denn als umsetzbare Strategie betrachtet werden. Der Innovationsengpass hält die Landwirte skeptisch. Landwirte zögern, neuere Geräte zu kaufen, wenn das Synchronisieren von Daten mehr Arbeit bedeutet, insbesondere bei knappen Budgets. Forscher an Universitäten und hochmodernen Unternehmen haben mithilfe eifriger Erstanwender Pilotprojekte für eine vollständig integrierte Überwachung vorangetrieben. Da jedoch eine zuverlässige Automatisierung fehlt, um manuelle Aufgaben im kommerziellen Maßstab zu ersetzen, kommen die meisten Projekte nie über Versuche hinaus. Während das Potenzial des IoT in der Landwirtschaft immens ist, stellen technologische Einschränkungen erhebliche Herausforderungen dar. Probleme wie die Datenüberflutung, bei der Landwirte mehr Informationen erhalten, als sie effektiv nutzen können, und Bedenken hinsichtlich der Datengenauigkeit und -zuverlässigkeit sind nach wie vor weit verbreitet. Darüber hinaus ist der Bedarf an robusten Datenverwaltungssystemen, die große Datenmengen nahtlos verarbeiten können, von entscheidender Bedeutung für die praktische Anwendung dieser Technologien vor Ort. Wichtig ist, dass die erfolgreiche Implementierung von IoT- und Sensortechnologien in der Landwirtschaft von ihrer Integration in bestehende Praktiken abhängt. Dazu gehört die Sicherstellung der Kompatibilität mit aktuellen Geräten und Prozessen sowie die Schulung von Landwirten und Landarbeitern. Die Technologie muss benutzerfreundlich und an verschiedene landwirtschaftliche Umgebungen anpassbar sein und einen reibungslosen Übergang und minimale Störungen etablierter Praktiken ermöglichen. Lebensmittelkreislauf und damit verbundene Herausforderungen (Kontaminanten, Toxine und Krankheitserreger) zur Aufrechterhaltung der Sicherheit und Qualität, die für das gesundheitliche Wohlbefinden erforderlich sind. (© Wiley-VCH Verlag) (zum Vergrößern auf das Bild klicken)Wearables Crossover von Medical Labs
Jetzt scheint das externe Fachwissen von Spezialisten für Gesundheitstechnologie, die sich auf einfache und automatisierte Biosensorik konzentrieren, bereit zu sein, dieses Versprechen zu erfüllen. Ihre flexiblen, langlebigen, nanogefertigt Sensorstreifen können direkt auf Obst und Gemüse, Vieh und wichtige Infrastruktur geklebt werden. Dank der integrierten drahtlosen Konnektivität können diese Peel-and-Stick-Monitore Biomarker-Informationen direkt in die Cloud übertragen, ohne dass Mitarbeiter die Daten verschieben müssen. KI-Algorithmen durchwühlen die Flut der eingehenden Felddaten, destillieren Erkenntnisse und benachrichtigen Manager über Apps nur dann, wenn kritische Interventionsschwellen überschritten werden. Dies vermeidet „Datenmüdigkeit“, eine häufige Beschwerde von Landwirten angesichts einer Vielzahl von Sensormesswerten, aber wenig hilfreicher Anleitung, was tatsächlich als nächstes zu tun ist. Durch die freihändige Analyse wird Zeitverschwendung durch die Interpretation überwältigender Berichte vermieden. Die biometrischen Durchbrüche, die eine Patientenüberwachung rund um die Uhr außerhalb von Krankenhäusern ermöglichen, sind fast reif für den Einsatz in der Landwirtschaft. Marktforscher gehen davon aus, dass sich die landwirtschaftlichen IoT-Investitionen innerhalb von fünf Jahren weltweit verdreifachen werden. Aus Berichten jüngster Branchenkonferenzen geht außerdem hervor, dass die Interkonnektivität oberste Priorität für Entwickler von Sensortechnologien hat, die Agrar- und Lebensmittelunternehmen nun als eine wichtige Zukunftsbranche betrachten. Die Risikokapitalfinanzierung für Startups, die die kontinuierliche Pflanzenüberwachung kommerzialisieren, stieg im ersten Halbjahr 40 im Jahresvergleich um 2022 %.Auf dem Weg zu hochpräziser Ernährung und Landwirtschaft
Bevor tragbare und implantierbare medizinische Sensoren in die Lebensmittel- und Landwirtschaftswelt Einzug hielten, standen sie vor ähnlichen Hindernissen wie die Agrartechnologie heute. Ärzte würden keine Monitore einsetzen, die ihre Arbeitsbelastung dadurch erschweren, dass sie unbrauchbare Daten produzieren. Um die Akzeptanz voranzutreiben, erwies es sich als wesentlich, den Prozess zu rationalisieren, um die für eine ständige Nachverfolgung erforderliche Überwachung einzuschränken. Mit der Zeit überwand die Medizin auch das anfängliche Unbehagen und die Skepsis der Patienten hinsichtlich Sicherheit und Wirksamkeit, da sich Konsistenz und Genauigkeit verbesserten. Nun hofft die Landwirtschaft, dem Fahrplan des Gesundheitswesens in Richtung persistenter Sensorik folgen zu können. Demonstrationsbetriebe zielen darauf ab, zögerliche Landwirte durch reale Beweise davon zu überzeugen, dass eine Ernte- und Bodenüberwachung rund um die Uhr in kommerziellen Mengen funktionieren kann, ohne den Betrieb zu stören. Entwickler, die eine verantwortungsvolle Skalierung neuer Überwachungstools anstreben, legen Wert darauf, Vertrauen aufzubauen, da die Gerätezuverlässigkeit immer besser wird. Die wirtschaftlichen und sozialen Auswirkungen der Einführung fortschrittlicher Sensor- und IoT-Technologien in der Landwirtschaft sind tiefgreifend. Einerseits versprechen diese Technologien eine höhere Effizienz, weniger Abfall und bessere Ernteerträge, was potenzielle wirtschaftliche Vorteile mit sich bringt. Andererseits müssen die Auswirkungen auf die Arbeitsmärkte und die Zugänglichkeit solcher Technologien für Kleinbauern berücksichtigt werden. Das Gleichgewicht zwischen technologischem Fortschritt und sozialer und wirtschaftlicher Gerechtigkeit wird für die nachhaltige Entwicklung der Landwirtschaft von entscheidender Bedeutung sein. Da historische Fachwissensbarrieren fallen, scheinen Ernährung und Landwirtschaft durch angewandte Technologie auf einen Wandel vorbereitet zu sein. Kontinuierliche, feinkörnige Felddaten versprechen eine echte Präzision in Bezug auf Anbau und Verbreitung, anstatt sich auf fundierte Vermutungen aus begrenzten manuellen Proben zu verlassen. Forscher stecken noch in den Kinderschuhen und warnen davor, dass weitere Integrationsarbeiten bevorstehen, bevor Sensoren und Konnektivität die hohen Versprechen erfüllen können, die Landwirtschaft und Lebensmittelproduktion vollständig zu revolutionieren. Es ist jedoch klar, dass die Bausteine bereit für etwas Bahnbrechendes sind.
– Michael ist Autor von drei Büchern der Royal Society of Chemistry:
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