Onderzoekers hebben een nieuw beeldvormingssysteem ontwikkeld dat is ontworpen om de gezondheid van gewassen in het veld of in de kas te monitoren. De nieuwe technologie zou boeren op een dag veel geld en tijd kunnen besparen door intelligente landbouwapparatuur mogelijk te maken die planten automatisch van water of voedingsstoffen voorziet bij de eerste tekenen van nood. Met verdere ontwikkeling, het systeem heeft de potentie om aan boord van onbemande luchtvaartuigen te worden gebruikt om gewassen op afstand te bewaken.

Het beeldvormingssysteem detecteert fluorescentie uitgezonden door chlorofyl, een pigment dat planten hun groene kleur geeft en essentieel is voor het absorberen van het zonlicht dat planten gebruiken om energie te creëren door middel van fotosynthese. Het monitoren van chlorofyl en hoe fotosynthese in een plant plaatsvindt, geeft inzicht in de gezondheid en groei van de planten.

In het tijdschrift The Optical Society Toegepaste optica , onderzoekers onder leiding van Xu Liu van de Zhejiang University in China beschrijven hun nieuwe gewasbeeldvormingssysteem. Het kan een gebied van 45 bij 34 centimeter in beeld brengen, ongeveer vier keer groter dan in de handel verkrijgbare chlorofyl-imagers.

"De meeste instrumenten die worden gebruikt voor chlorofylfluorescentiebeeldvorming zijn alleen geschikt voor laboratoriumgebruik, maar we willen een systeem ontwikkelen dat de gewasgezondheid in een veld of kas kan monitoren, " zei Haifeng Li, een lid van de onderzoeksgroep. "Het grote detectiegebied van onze crop imager brengt ons dichter bij dat doel."

Naast het helpen van boeren om de gezondheid van gewassen te controleren, het nieuwe systeem zal nuttig zijn om te bestuderen hoe planten reageren op veranderingen in groeiomstandigheden en voor fenotypering met hoge doorvoer, een geautomatiseerde methode die wordt gebruikt in gewasonderzoek en -ontwikkeling om te analyseren hoe genetische modificaties van invloed zijn op plantkenmerken zoals bladgrootte of droogteresistentie in een groot aantal planten. De techniek kan ook worden aangepast voor microscopie, waardoor beeldvorming van fotosynthese in de plantencellen mogelijk is.

"Chlorofylfluorescentiebeeldvorming is veel gebruikt in academisch onderzoek, " zei Li. "Ons systeem zal deze techniek toelaten om verder te gaan dan het laboratorium, waar het kan worden gebruikt om gewassen met een hogere opbrengst te ontwikkelen en te bestuderen, bijvoorbeeld."

Meer data geeft een beter beeld

Het beperkte beeldvormingsgebied van in de handel verkrijgbare chlorofylfluorescentiebeeldsensoren beperkt deze instrumenten tot beeldvorming, hoogstens, één of twee zaailingen tegelijk. In feite, sommige imagers vangen alleen fluorescentie van een paar bladeren tegelijk. Omdat fotosynthese van plant tot plant en zelfs van blad tot blad kan verschillen, er zouden veel afbeeldingen moeten worden gemaakt om een ​​beeld te krijgen van de algehele gewasgroei.

Op een foto, de nieuwe crop imager kan fluorescentie vastleggen van zeven of acht zaailingen, afhankelijk van hun grootte. Deze extra planten leveren voldoende gegevens om met slechts één afbeelding een waarheidsgetrouw beeld van de gewasgezondheid te krijgen. De onderzoekers hebben ook een scanmechanisme ingebouwd dat het beeldgebied vergroot tot 2 meter breed.

"Door een grote hoeveelheid gegevens te verzamelen, ons systeem kan de fouten bij het analyseren van de fysiologische status van een gewas en de monitoring van de efficiëntie van de groeiomstandigheden van gewassen aanzienlijk verminderen, zonder herhaalde bemonstering, " zei Li.

Verlichting van grote oppervlakken

Het detecteren van fluorescentie van chlorofyl vereist dat het pigment wordt verlicht met licht dat moleculen in het chlorofyl opwekt, waardoor ze licht uitstralen. De onderzoekers gebruikten 16 verlichtingsmodules die elk een krachtige LED hadden om dit excitatielicht te creëren.

Voor elke verlichtingsmodule, de onderzoekers ontwierpen een reeks lenzen en optische componenten die een rechthoekig verlichtingsgebied creëerden via een proces dat spot-reshaping wordt genoemd. Het licht van elke module werd gefocust op het midden van het beeldgebied en over elkaar heen gelegd om een ​​sterke en gelijkmatige verlichting te creëren.

"Het opnamegebied van 45 bij 34 centimeter is het grootste dat beschikbaar is voor dit type beeldvormingssysteem, "zei Li. "Ons instrument maakt op unieke wijze gebruik van LED-verlichtingsvlekhervorming om een ​​gelijkmatige verlichting over het hele beeldgebied te bereiken en om ervoor te zorgen dat het grootste deel van de lichtenergie wordt gebruikt voor verlichting en niet wordt verspild."

De onderzoekers testten het nieuwe apparaat door het te gebruiken om komkommerzaailingen in beeld te brengen die werden gekweekt onder stressvolle omstandigheden met een water- of stikstoftekort. In beide gevallen liet het instrument veranderingen in chlorofylfluorescentie zien die overeenkwamen met een afnemende plantgezondheid in de tijd.

De onderzoekers werken nu aan het verhogen van het lichtenergiegebruik van het systeem door verbeteringen aan te brengen in de productietechnieken, zoals het opnemen van lenscoatings, gebruikt om de optische componenten te maken. Ze willen ook het gewicht en het volume van de imager verminderen om hem mobieler en praktischer te maken voor gebruik in het veld en in kassen.