Till exempel, druvor som odlas för premiumsorterna cabernet och merlot kräver en mycket exakt mängd vatten för att producera frukt med precis rätt sötma. Men moderna mätningar av växtvattennivåer är långt ifrån idealiska, säger Alan Lakso, en professor vid Cornell University som har studerat växtfysiologi i 40 år. De flesta kommersiella metoder mäter vattennivåer genom att placera fuktavläsare i jord. Men vinrankor och äppelträdsrötter gillar att resa – de kan sprida sig långt från läsarens plats och skeva bilden.
"De mäter alla vatten i jorden som är typ indirekt, eftersom du inte skördar jorden, säger Lakso. "Du skördar växten."
Att mäta vattennivåer inuti själva växten är ett mer exakt sätt att göra det, men det är en manual, arbetsintensiv process. Mätare skär av ett löv, placera den i en tryckkammare och tryck på den tills vatten kommer ut ur den avskurna trimningen. Eftersom metoden är tidskrävande och långsam, odlare använder det inte ofta. Det ger inte heller en kontinuerlig bild av växtens hälsa, Lakso säger, liknar processen med att ta ett blodtryck på en patient en gång i veckan. "Det säger dig vad det är, men det säger inte vad det var veckan innan, säger Lakso. "Jag ville ha ett sätt att övervaka växter kontinuerligt."
För att kontinuerligt mäta växtvattennivåer, varje anläggning måste vara utrustad med sin egen personliga vattensensor – och det är precis vad Cornell-teamet gick efter.
Så han gick in i anläggningen, "Fantastic Voyage"-stil.
För att kontinuerligt mäta växtvattennivåer, varje anläggning måste vara utrustad med sin egen personliga vattensensor – och det är precis vad Cornell-teamet gick efter. Lakso och Abraham Stroock, docent i kemi- och biomolekylär teknik, samt Vinay Pagay, en doktorand vid den tiden, skapat en elektronisk mikrochip vattensensor som kan sättas in direkt i anläggningen. När du bygger chipet, de använde växternas egen arkitektur för vattenhantering, basera designen på växtfysiologi.
Växtblad har små porer fyllda med vatten som tagits upp från rötterna; att vatten avdunstar genom lövens hinnor. Chipset har också ett hålrum fyllt med vatten och ett membran genom vilket vatten avdunstar. När växtens vatten töms, det gör sensorn också. När nivån sjunker, chippet skickar en signal till en datalogger via en tråd eller en trådlös sändare för att tolkas och lagras. Bonden tipsas om att det är dags att vattna växterna. När grödor släcks, chipet kommer att fylla på sin fukt, för, och cykeln börjar på nytt.
Chipsen, vilket forskare uppskattar kan masstillverkas för cirka 5 dollar styck, kommer att tillåta odlare att dynamiskt anpassa sina bevattningsscheman till olika väderstörningar som påverkar vattenavdunstning i växter.
"Vattentillståndet hos en växt förändras med vädret, säger Lakso, lägga till att moln, torr varm luft, och vind kan orsaka snabba förändringar. Chipsen gör det möjligt för odlare att ta snabba avläsningar och följa upp med snabba åtgärder.
Tekniken är av särskilt intresse för vingårdar eftersom röda druvor gynnas av liten vattenbrist senare under säsongen, säger Pagay, som studerade vinodling och pomologi – vetenskapen om att odla vindruvor och frukt.
Flisen kommer att tala om för odlarna om de behöver bevattna eller inte, förhindrar därmed onödig vattenanvändning.
"En växt som har för mycket vatten tenderar att lägga mer energi i löven, " han förklarar. "Vi försöker få det att lägga mer energi på druvorna." Det är därför lite "vattenstress" leder till bättre godare frukt. "Druvorna blir sötare, säger Pagay. "Sorter som Napa Valley cabernet och merlot är gjorda av druvor som vanligtvis har en viss mängd vattenstress."
Pagay säger att chipsen snart kommer att börja sina testrundor med Ernest &Julio Gallo Winery från Modesto, Kalifornien. Men tekniken har en mycket bredare användning än bara vinindustrin. När USA och andra delar av världen arbetar under en rekordstor torka, teamet hoppas att deras uppfinning kan hjälpa bönder som klarar av allvarlig vattenbrist, eller arbeta i områden med torrt klimat.
Flisen kommer att tala om för odlarna om de behöver bevattna eller inte, förhindrar därmed onödig vattenanvändning. Cirka 70 procent av människors vattenförbrukning används till jordbruk, så att optimera bevattning är en stor fråga, säger Lakso.
"Vi hoppas och förväntar oss verkligen att sensorn hjälper till att optimera bevattning och vattenanvändning."
