Un equipo de científicos liderado por la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur (NTU Singapur) ha desarrollado un dispositivo que pueden enviar señales eléctricas hacia y desde la planta, abriendo nuevas oportunidades para las tecnologías de control y monitorización en cultivos. 

El equipo de NTU desarrolló su dispositivo de “comunicación” con la planta, conectando un electrodo conformable (un pedazo de metal conductor) en la superficie de una planta Dionesa Atrapamosca, planta carnívora de la familia Droseraceae, utilizando un adhesivo suave hecho de hidrogel. 

Con el electrodo conectado a la superficie de la planta, los investigadores pudieron lograr dos cosas: captar señales eléctricas para monitorizar cómo responde la planta a su entorno; y transmitir señales eléctricas a la planta, para hacer que por ejemplo cierre sus hojas. 

El equipo de investigación de la NTU cree que el desarrollo de la capacidad de medir las señales eléctricas de las plantas podría crear oportunidades para una gama de aplicaciones útiles, como robots basados en plantas que pueden ayudar a recoger objetos frágiles o para ayudar a mejorar la seguridad alimentaria mediante la detección temprana de enfermedades en los cultivos.

Desde hace años es conocido que las plantas emiten señales eléctricas para detectar y responder a su entorno. Sin embargo, las señales eléctricas de las plantas son muy débiles y solo se pueden detectar cuando el electrodo hace un buen contacto con las superficies de la planta. Las superficies peludas, cerosas e irregulares de las plantas dificultan la conexión de cualquier dispositivo electrónico de película delgada y lograr una transmisión de señal confiable.

Para superar este desafío, el equipo de la NTU se inspiró en el electrocardiograma (ECG), que se utiliza para detectar anomalías cardíacas midiendo la actividad eléctrica generada por el órgano.

Transmisión de señales eléctricas para crear un robot a la carta basado en plantas

Como prueba de concepto, los científicos tomaron su dispositivo de «comunicación» vegetal y lo unieron a la superficie de una planta Dionesa Atrapamosca, una planta carnívora con lóbulos de hojas peludos que se cierran sobre insectos cuando se activan.

El dispositivo tiene un diámetro de 3 mm y es inofensivo para la planta. No afecta a su capacidad para realizar la fotosíntesis mientras detecta con éxito sus señales eléctricas. Utilizando un teléfono inteligente para transmitir pulsos eléctricos al dispositivo a una frecuencia específica, el equipo provocó que la planta cerrará sus hojas bajo demanda, en 1,3 segundos.

Los investigadores también han unido una hoja de la planta carnívora a un brazo robótico y, a través del teléfono inteligente y el dispositivo de «comunicación», estimularon su hoja para cerrar y recoger un pedazo de alambre de medio milímetro de diámetro (ver video). 

Sus hallazgos, publicados en la revista científica Nature Electronics, demuestran las perspectivas para el futuro diseño de sistemas tecnológicos basados en plantas. Su enfoque podría conducir a la creación de pinzas robóticas más sensibles para recoger objetos frágiles que pueden ser dañados por los pinzas rígidas actuales. 

Recoger señales eléctricas para monitorizar la salud de los cultivos

Asimismo, el equipo de investigación también prevé un futuro en el que los agricultores puedan tomar medidas preventivas para proteger sus cultivos, utilizando el dispositivo de “comunicación” que han desarrollado. 

“El cambio climático está amenazando la seguridad alimentaria en todo el mundo. Al monitorizar las señales eléctricas de las plantas, podemos ser capaces de detectar posibles señales de socorro y anomalías. Cuando se utiliza con fines agrícolas, los agricultores pueden averiguar cuándo se está desarrollando una enfermedad incluso antes  de que aparezcan sintomas visibles en el cultivo, como las hojas amarillentas. Esto puede darnos la oportunidad de actuar rápidamente para maximizar el rendimiento de los cultivos para la población”, explica el autor principal del estudio, Chen Xiaodong, profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales en NTU Singapur. 

Un pegamento líquido con mayor resistencia adhesiva

Buscando mejorar el rendimiento de su dispositivo de «comunicación» vegetal, los científicos de la NTU también colaboraron con investigadores del Instituto de Investigación e Ingeniería de Materiales (IMRE), una unidad de la Agencia de Ciencia, Tecnología e Investigación de Singapur (A*STAR).

Los resultados de este estudio separado, publicado en la revista científica Advanced Materials, encontraron que mediante el uso de un tipo de hidrogel llamado termogel, que se transforma gradualmente de líquido a gel estirable a temperatura ambiente, es posible conectar su dispositivo de «comunicación» vegetal a una mayor variedad de plantas (con varias texturas superficiales) y lograr una detección de señales de mayor calidad, a pesar de que las plantas se mueven y crecen en respuesta al medio ambiente.

“El material a base de termogel se comporta como el agua en su estado líquido, lo que significa que la capa adhesiva puede ajustarse a la forma de la planta antes de que se convierta en un gel. Cuando se probó en tallos peludos del girasol, por ejemplo, esta versión mejorada del dispositivo de «comunicación» de la planta logró de cuatro a cinco veces la fuerza adhesiva del hidrogel común y registró señales significativamente más fuertes y menos ruido de fondo”, explica el coautor principal del estudio, el profesor Chen Xiaodong. 

“El dispositivo ahora puede adherir a más tipos de superficies vegetales, y de manera más segura, lo que marca un importante paso adelante en el campo de la electrofisiología vegetal, abriendo nuevas oportunidades para las tecnologías basadas en plantas”, añade el también autor de la investigación, el profesor Loh Xian Jun, director ejecutivo de IMRE. 

En el futuro, el equipo de NTU está buscando diseñar otras aplicaciones utilizando la versión mejorada de su dispositivo de «comunicación» de la planta.

Créditos de imágenes: NTU Singapore