Hình xăm điện tử sử dụng vật liệu graphene siêu dẻo và bền vững để theo dõi mức độ hydrat hóa.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Texas ở Austin (Mỹ) vừa phát triển một công nghệ mới cho phép theo dõi độ ẩm của thực vật với độ chính xác cao mà không làm tổn hại đến cây. Giải pháp độc đáo này nằm ở một loại cảm biến siêu mỏng, được ví như “hình xăm điện tử” dán trực tiếp lên lá.

Thiết bị này sử dụng vật liệu graphene nổi tiếng với độ linh hoạt và bền dẻo giúp cảm biến bám chắc trên bề mặt lá mà không làm ảnh hưởng đến hoạt động sinh học của cây trồng. Đây được xem là bước tiến lớn so với các phương pháp trước đây vốn chỉ đo được trên lá đã chết, lá khô hoặc phải suy đoán gián tiếp.

Theo bà Jean Anne Incorvia, phó giáo sư tại khoa Kỹ thuật Điện và Máy tính thuộc Trường Kỹ thuật Cockrell, công nghệ mới mở ra khả năng theo dõi trực tiếp lá sống theo thời gian thực, ngay tại nơi diễn ra quá trình quang hợp.

"Khả năng đo lường và giám sát trực tiếp lá cây còn sống theo thời gian, ngay tại điểm quang hợp, cung cấp cho chúng ta nhiều thông tin hơn để hiểu về sức khỏe của các hệ sinh thái thực vật, cho dù đó là một cây riêng lẻ hay cả một khu rừng", bà cho biết.

Độ ẩm trong lá, chỉ số quan trọng nhưng khó đo đạc

Giới khoa học từ lâu coi lượng nước trong lá là chỉ số quan trọng phản ánh “hàm lượng độ ẩm nhiên liệu sống”, một yếu tố then chốt để dự báo nguy cơ cháy rừng. Tuy nhiên, việc đo trực tiếp chỉ số này lại không hề đơn giản.

Hiện nay, các phương pháp phổ biến thường mang tính thủ công và gây tổn hại cho cây, như cắt cành hoặc thậm chí làm rơi cành để lấy mẫu. Trong khi đó, công nghệ mới cho phép theo dõi liên tục mà không cần can thiệp phá hủy.

Cảm biến hình xăm điện tử được gắn vào mặt dưới của lá cây có thể xử lý thông tin giống như một bộ não, phân tích dữ liệu ngay khi thu thập.

Bà Ashley Matheny, phó giáo sư tại khoa Khoa học Trái đất và Hành tinh, nhận định việc thu thập dữ liệu theo thời gian thực sẽ mang lại lợi thế lớn.

"Thay vì phải cử người đi vào tất cả các thời điểm khác nhau trong ngày, chúng ta có thể thu thập dữ liệu gần như ngay lập tức trong các giai đoạn quan trọng như sáng sớm và chiều muộn, hoặc vào một ngày nắng nóng đầy gió để thấy cách nó phản ứng với tín hiệu môi trường đó. Chúng tôi cũng có thể thu thập nhiều thông tin hơn so với những gì công nghệ hiện tại có thể làm, và theo một cách dễ dàng hơn nhiều", bà chia sẻ.

Không chỉ dừng lại ở dự báo cháy rừng, công nghệ này còn hứa hẹn cải thiện năng suất nông nghiệp, hỗ trợ quản lý nguồn nước và tăng cường an ninh lương thực.

Về cơ chế hoạt động, cảm biến phát ra một xung điện rất nhỏ, khiến các ion bên trong lá di chuyển, từ đó làm thay đổi độ dẫn điện. Sự thay đổi này phản ánh trực tiếp mức độ nước trong lá.

Thiết bị tiêu thụ năng lượng cực thấp: chỉ 23 attojoule (aJ) cho mỗi lần cập nhật và 0,23 microwatt để đọc dữ liệu. Nhờ vậy, một tấm pin mặt trời nhỏ cũng có thể cung cấp năng lượng cho hàng triệu cảm biến cùng lúc, mở ra khả năng triển khai trên diện rộng tại các cánh đồng xa xôi hay rừng tự nhiên.

Không chỉ dừng lại ở việc đo đạc, các cảm biến này còn có khả năng hoạt động giống như “khớp thần kinh nhân tạo”, tức là có thể lưu trữ và xử lý thông tin ngay tại chỗ. Điều này giúp giảm đáng kể nhu cầu truyền dữ liệu về các hệ thống xử lý bên ngoài, qua đó tiết kiệm năng lượng và tăng hiệu quả vận hành.

Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nano Letters, mở ra hướng tiếp cận mới trong việc theo dõi sức khỏe thực vật, từ những chậu cây nhỏ trong nhà đến các hệ sinh thái rừng rộng lớn.