Fot. Wynalazcy z Politechniki Krakowskiej, od lewej: mgr inż.  Aleksandra Sierakowska-Byczek, mgr inż. Klaudia Kuźmiak, dr inż. Julia Radwan-Pragłowska i dr inż. Łukasz Janus. Źródło: Bartosz Pniewski, Konkurs Nagroda Jamesa Dysona

Inspiracją dla prac nad rozwiązaniem były 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 Politechniki Krakowskiej. 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 – dodaje 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.

Przebieg prac

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. Może nawet podpowiedzieć, jaki rodzaj produktu kupić – przekonuje Julia Radwan-Pragłowska. 

W drodze do komercjalizacji

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. 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 – zapowiada Aleksandra Sierakowska-Byczek ze Szkoły Doktorskiej PK, współautorka rozwiązania. System można także rozwijać w kierunku rozwiązań podwójnego zastosowania, np. do wykorzystania przez wojsko do badań zanieczyszczenia gleb.

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. Twórcy AgroSysIT wygrali krajowy etap Konkursu Nagroda Jamesa Dysona i zakwalifikowali się do międzynarodowej fazy rywalizacji dla młodych inżynierów i projektantów. Konkurs jest organizowany w 28 krajach i regionach przez Fundację Jamesa Dysona.

Biuro prasowe Politechniki Krakowskiej