Wynalazcy z Politechniki Krakowskiej stworzyli podręczne laboratorium do badania gleby. Pomoże rolnikom łatwo i przyjaźnie dla środowiska dobrać nawóz do upraw

Zespół wynalazców z Politechniki Krakowskiej wygrał krajowy etap Konkursu Nagroda Jamesa Dysona. Dr inż. Łukasz Janus, dr inż. Julia Radwan-Pragłowska, mgr inż.  Aleksandra Sierakowska-Byczek i mgr inż. Klaudia Kuźmiak opracowali innowacyjne, przenośne urządzenie do analizy gleby – AgroSysIT.  To mini-laboratorium, które szybko oznacza pH, składniki odżywcze i wybrane zanieczyszczenia gleby. Zastępuje powolne badania laboratoryjne i subiektywne testy terenowe szybkim, ilościowym wynikiem, dzięki któremu rolnik może precyzyjnie dopasować do potrzeb ziemi, sposób jej nawożenia.   

Inspiracją dla prac nad rozwiązaniem były dla wynalazców Politechniki dwa zagrożenia: degradacja gleby wynikająca z nadmiernego i niewłaściwie dobranego nawożenia oraz rosnące ryzyko kryzysu żywnościowego wywołanego zmianami klimatu. – Rolnicy potrzebują szybkich i wiarygodnych danych, aby ograniczać nawożenie bez obniżania plonów. Chcieliśmy stworzyć łatwo dostępne narzędzie wspierające precyzyjne decyzje, ochronę gleby i wód oraz bezpieczeństwo żywnościowe – mówi dr inż. Łukasz Janus z Wydziału Inżynierii i Technologii Chemicznej PK.

AgroSysIT – całościowe narzędzie do monitorowania gleb

AgroSysIT wypełnia lukę pomiędzy prostymi testami terenowymi a kosztownymi urządzeniami laboratoryjnymi. Większość testów polowych opiera się na wzrokowym porównaniu barwy i daje jedynie przybliżone wyniki, natomiast przenośne urządzenia NIR pośrednio szacują właściwości gleby i wymagają złożonej kalibracji. – Nasz system wykonuje bezpośrednie pomiary chemiczne z wykorzystaniem absorbancji i fluorescencji w jednym kompaktowym urządzeniu – mówi  dr inż. Julia Radwan-Pragłowska z WIiTCh PK.

Jak to działa? Użytkownik miesza próbkę gleby z odczynnikiem, umieszcza ciecz w centralnej kuwecie i uruchamia test. Wokół kuwety rozmieszczono diody LED i detektory tworzące wiele ścieżek optycznych. Każda dioda emituje światło o długości fali dobranej do konkretnej reakcji chemicznej. Urządzenie mierzy ilość światła przechodzącego przez próbkę, aby wyznaczyć absorbancję, lub rejestruje fluorescencję pod kątem 90° dla substancji obecnych w niższych stężeniach. Obrót kuwety o 45° umożliwia wykorzystanie dodatkowych torów pomiarowych bez stosowania złożonych elementów optycznych. Układ elektroniczny aktywuje właściwą diodę i detektor, ogranicza zakłócenia i przelicza sygnał z użyciem krzywych kalibracyjnych. Wyniki pomiaru trafiają do aplikacji, są przypisywane do miejsca pobrania próbki i przedstawiane jako dane o pH, składnikach odżywczych oraz wybranych zanieczyszczeniach gleby.

Tak szybko pozyskane informacje o stanie gleby, pozwalają rolnikowi łatwo dobrać właściwy rodzaj i ilość nawozu, co ogranicza koszty nawożenia i chroni środowisko przed nadmiernym obciążeniem gleb i wód.

Eksperci Politechniki Krakowskiej wspierają rolników

Zespół innowatorów z PK zaczął prace nad rozwiązaniem od określenia kluczowych wymagań: mobilności, niskiego kosztu, powtarzalnej geometrii optycznej oraz możliwości pomiaru absorbancji i fluorescencji w jednym urządzeniu. Obudowę, centralny uchwyt kuwety i radialne kanały optyczne zaprojektowano w programach CAD. Kilka wariantów oceniono cyfrowo, a następnie elementy wykonano metodą druku 3D FDM. Urządzenie testowano z użyciem modelowych roztworów barwnych i fluorescencyjnych, porównując wyniki z klasycznym spektrofotometrem UV-Vis i laboratoryjnym spektrofluorymetrem. Na tej podstawie poprawiono pozycjonowanie kuwety, ograniczono wpływ światła zewnętrznego i dopracowano układy emiter–detektor. Opracowano aplikację sterującą płytką Arduino oraz drugą aplikację w Pythonie z biblioteką Tkinter, która przelicza sygnał na stężenie lub pH z wykorzystaniem krzywych kalibracyjnych. – Stworzyliśmy też aplikację, która pomaga dobrać typ i ilość nawozu do konkretnego pola. Wystarczy wpisać jego powierzchnię w hektarach i na podstawie danych z analizy próbki gleby aplikacja obliczy ile nawozu potrzeba, a  może nawet podpowiedzieć, jaki rodzaj produktu kupić – mówi Julia Radwan-Pragłowska.

AgroSysIT jest chroniony zgłoszeniem patentowym i gotowy do komercjalizacji. – Nagroda w Konkursie Jamesa Dysona daje nam szansę dotarcia do partnerów biznesowych i inwestorów, może więc przyspieszyć komercjalizację rozwiązania. Chcemy dalej rozwijać urządzenie i aplikację, rozszerzać ochronę patentową oraz prowadzić testy w warunkach rzeczywistych – mówi Aleksandra Sierakowska-Byczek ze Szkoły Doktorskiej PK, współautorka rozwiązania. – Naszym celem jest utworzenie spin-offu przy Politechnice Krakowskiej i wprowadzenie AgroSysIT na rynek jako przystępnego cenowo, łatwego w użyciu narzędzia wspierającego rolnictwo precyzyjne. Wierzymy, że dzięki temu możemy pomóc rolnikom zwiększać opłacalność produkcji, a jednocześnie ograniczać negatywny wpływ nawożenia na środowisko.

System można także rozwijać w kierunku rozwiązań podwójnego zastosowania, np. do wykorzystania przez wojsko dla badań zanieczyszczenia gleb.

Nagroda Jamesa Dysona

Twórcy AgroSysIT za zwycięstwo w krajowym etapie Konkursu Nagroda Jamesa Dysona otrzymali nagrodę w wysokości 24 360 zł oraz kwalifikację do międzynarodowego etapu rywalizacji. Udział wezmą w niej także dwaj pozostali krajowi laureaci Konkursu:  Sebastian Górecki z wynalazkiem do monitorowania ula (Intelligent Hives – BeeHUB) oraz Jakub Cichoń i Natalia Rzadek z projektem teleskopowego chodzika (TS Walker).

Konkurs Nagroda Jamesa Dysona to międzynarodowy konkurs projektowy dla młodych inżynierów i projektantów. Jest organizowany w 28 krajach i regionach przez Fundację James Dyson. Spośród laureatów krajowych komisja złożona z inżynierów firmy Dyson wybiera następnie międzynarodową krótką listę 20 wynalazków. Następnie 20 najlepszych projektów jest ocenianych przez sir Jamesa Dysona, który wybiera zwycięzców na poziomie międzynarodowym (ci otrzymają nagrodę w wysokości 30 tys. funtów brytyjskich).

Projekt „Inteligentny system oceny zasobności gleby oparty na zaawansowanych fotoaktywnych układach sprzężonych z urządzeniem mobilnym jako nowatorska platforma wspomagająca indywidualną działalność rolniczą” jest realizowany w ramach programu Lider XIII nr LIDER13/0249/2022 i finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju. Więcej o projekcie na stronie www.agrosysit.pl.

(m)