Los sensores de suelo biodegradables serigrafiados que se pueden convertir en abono al final de su ciclo de vida podrían permitir a los agricultores mejorar el rendimiento de los cultivos y, al mismo tiempo, reducir los desechos electrónicos, afirman los investigadores.
Los sensores, desarrollados por ingenieros de la Universidad de Glasgow en colaboración con colegas del Instituto Łukasiewicz de Microelectrónica y Fotónica (IMiF), están hechos de materiales electrónicos que se degradan en nutrientes para las plantas y actúan como fertilizantes para ayudar a que los cultivos crezcan.
La investigación es un avance clave en un proyecto internacional más amplio denominado TESLA, acrónimo de Electrónica Transitoria para TIC Sostenibles en la Agricultura Digital. TESLA está liderado por la Universidad de Glasgow y cuenta con la participación de la Universidad McGill (Canadá), la Universidad de Tampere y el Centro de Investigación Técnica VTT de Finlandia Ltd. (Finlandia), la Red de Investigación Łukasiewicz (Instituto de Microelectrónica y Fotónica) (Polonia) y el CSEM (Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique SA) (Suiza).
El proyecto pretende desarrollar un sistema completo en el que los sensores biodegradables sean alimentados por células solares y supercondensadores también fabricados con materiales sostenibles, permitiendo una solución totalmente respetuosa con el medio ambiente para la monitorización de la agricultura de precisión.
La nueva tecnología pretende apoyar los esfuerzos globales para hacer que la producción de alimentos sea más eficiente y sostenible a medida que las poblaciones crecen y el cambio climático presenta nuevos desafíos para la agricultura a gran escala.
Los sensores frontales biodegradables se combinan con la electrónica convencional para monitorizar la salud de los cultivos. El equipo afirma que su enfoque modular mejora la reutilización de los sistemas electrónicos existentes y reduce significativamente los residuos electrónicos, lo que resulta en un impacto ambiental general mucho menor. Las evaluaciones detalladas del impacto ambiental realizadas por los investigadores demuestran que operar la electrónica de esta manera mejora la sostenibilidad.
Su arquitectura electrónica modular e híbrida se ha aplicado a la «agricultura digital», un nuevo enfoque agrícola que utiliza sensores en red aplicados directamente a los cultivos para monitorizar su entorno y crecimiento. La agricultura digital podría ayudar a satisfacer el aumento del 70 % en la demanda mundial de alimentos que, según los expertos, será necesaria para 2050.
Sin embargo, la generación actual de sensores utilizados en la agricultura digital se fabrica con materiales no reciclables. Esto significa que una expansión en el uso de la agricultura digital también generaría un aumento de residuos electrónicos perjudiciales para el medio ambiente cuando los dispositivos lleguen al final de su vida útil.
En su artículo publicado en la revista ACS Applied Electronic Materials , el equipo describe cómo crearon un sensor agrícola digital a partir de materiales sostenibles, combinando un parche biodegradable con un módulo electrónico reutilizable del tamaño de una caja de cerillas. Los parches del sensor se fabrican mediante un proceso de serigrafía, similar al utilizado en la impresión de camisetas. Este método de fabricación económico y de bajo consumo energético podría facilitar la implementación a gran escala necesaria para una adopción más amplia de la agricultura digital en todo el mundo.
En este trabajo, se imprimen pistas conductoras sobre un sustrato de polímero biodegradable con tinta de grafeno y carbono. Posteriormente, se imprime encima una capa sensora de disulfuro de molibdeno, de modo que todos los materiales utilizados se descomponen de forma natural en nutrientes para las plantas.
El módulo electrónico recopila datos de los sensores, sensibles a los cambios de pH y temperatura que pueden causar las infecciones en los cultivos. Estos datos pueden enviarse de forma inalámbrica a computadoras, lo que en el futuro podría ayudar a los agricultores a obtener un panorama detallado de la salud de sus cultivos.
Las pruebas de laboratorio demostraron que los sensores pueden monitorear de forma fiable los niveles de pH del suelo, con un rendimiento constante en soluciones con un pH de 3 a 8 durante dos semanas. El equipo también demostró que los sensores pueden detectar trazas de etefón, un regulador del crecimiento vegetal ampliamente utilizado que puede ser tóxico para los humanos y la fauna silvestre si contamina las aguas subterráneas. Al final de su vida útil, los sensores se degradan en nutrientes primarios y secundarios clave para el crecimiento futuro de las plantas.
El Dr. Joseph Cameron, de la Escuela de Ingeniería James Watt de la Universidad de Glasgow, es coautor del artículo. Afirmó: «La producción fiable de alimentos es uno de los problemas más acuciantes del mundo, con más de 800 millones de personas en todo el mundo sufriendo desnutrición. La agricultura digital podría ser la clave para maximizar nuestra capacidad de producir suficientes alimentos para una población en crecimiento».
El coautor Andrew Rollo, también de la Escuela de Ingeniería James Watt, afirmó: «El sistema que hemos desarrollado podría contribuir significativamente a reducir la huella de carbono de la agricultura digital. Los sensores pueden reintroducirse en los campos para nutrir los cultivos, y los módulos electrónicos con materiales de circuito impreso menos respetuosos con el medio ambiente pueden reutilizarse durante varios años».
Nuestro análisis sugirió que reemplazar los sensores cada tres meses podría reducir el impacto ambiental del sistema en un 66 % y en un 79 % a lo largo de cinco años, en comparación con desechar el dispositivo completo cada vez.
El profesor Jeff Kettle, de la Escuela de Ingeniería James Watt, dirigió la investigación. Afirmó: «Necesitamos urgentemente encontrar una manera de que la agricultura digital sea más sostenible en los próximos años. Actualmente, alrededor del 80 % de los productos electrónicos del mundo terminan en vertederos al final de su vida útil, lo que genera enormes problemas ambientales y de salud pública debido a los materiales tóxicos que muchos de ellos contienen».
Nos interesa seguir ampliando la capacidad de nuestro sensor biodegradable para detectar otros indicadores clave del crecimiento de las plantas y la salud del suelo. Esto podría incluir aumentar la sensibilidad a sustancias químicas permanentes como los PFA, que tienen un impacto ambiental significativo .
Más información: Andrew Rollo et al., Sistema híbrido de monitoreo agrícola con sensores de pH desmontables, biodegradables e impresos con una red de sensores inalámbricos reciclables para sistemas de sensores sostenibles, ACS Applied Electronic Materials (2025). DOI: 10.1021/acsaelm.4c02141
