Com o rápido crescimento e desenvolvimento de big data, inteligência artificial e computação em nuvem nas últimas décadas, o campo da agricultura passou por uma transformação radical e entrou na era da agricultura inteligente. 

Enquanto a agricultura tradicional analisa e resume principalmente o crescimento das culturas por meio de inspeção visual ou experiência de trabalho, a agricultura inteligente monitora principalmente as informações nas atividades de produção agrícola, como pH, temperatura ambiente e umidade em tempo real por meio de sensores distribuídos. 

Do ponto de vista do meio ambiente, economia e confiabilidade a longo prazo, o desenvolvimento de fontes de energia renováveis no ambiente agrícola é ideal para fornecer energia aos sensores agrícolas.

A utilização atual da energia solar é principalmente através de células solares para alcançar a geração de energia fotovoltaica. No entanto, a eficiência de conversão fotoelétrica atual é muito baixa para formar um sistema de geração de alta potência devido à baixa densidade de potência da geração de energia fotovoltaica. 

Além disso, as desvantagens da geração de energia fotovoltaica, como limitação pelo clima, alto custo de materiais à base de silício e alta poluição ambiental, limitam o uso generalizado da geração de energia fotovoltaica na agricultura.

Os TENGs (triboelectric nanogenerators - nanogerador triboelétrico) é uma tecnologia emergente de coleta de energia e atraiu o interesse de pesquisa de muitos estudiosos devido à sua estrutura simples, alto rendimento, baixo custo, diversas opções de materiais e capacidade de coletar energia mecânica irregular, distribuída e de baixa frequência, que estão presentes no ambiente agrícola.

Como uma tecnologia promissora para colheita de energia mecânica, o nanogerador tem várias vantagens sobre os geradores eletromagnéticos tradicionais, como tamanho pequeno, peso leve, baixo custo de fabricação, estrutura diversificada, alta densidade de potência e alta eficiência.

Com o rápido desenvolvimento da tecnologia, esses nanogeradores que podem colher simultaneamente energia do vento, gotas de chuva e do fluxo da água é proposta e demonstrada pelos autores, desde que toda e qualquer energia no ambiente possa ser usada para atender à demanda de energia para qualquer clima.

Figura 1: TENGs para detecção auto alimentada de informações agrícolas; diagrama esquemático da energia gerada por filmes poliméricos multicamadas que alimenta a operação do sistema de estufa. Fonte: (Dai et al. 2022).

Em seguida, os autores realizaram testes mecânicos nas amostras e chegaram à conclusão de que a viabilidade do processo proposto é comprovada pela produção bem-sucedida dos compósitos com estruturas altamente ordenadas de fibras alinhadas. 

O artigo apresenta vários setores além da onde esses nanogeradores podem ser aplicados, tais como: fixação de nitrogênio (para a produção de fertilizantes), crescimento de colheita (para garantir que os produtores agrícolas possam obter os benefícios econômicos desejados por meio do cultivo agrícola), purificação do ar (que afetam muito o crescimento de plantações e animais) e purificação da água.

As amplas aplicações de sensores inteligentes na agricultura levaram ao desenvolvimento da agricultura em direção à modernização, informatização e inteligência. Sensores sustentáveis, sem manutenção e amplamente distribuídos são o pré-requisito e a chave para obter informações agrícolas em uma grande área.

Sendo assim, os autores apontam alguns conjuntos principais para a aplicação desses nanogeradores são a integração e miniaturização do sistema, estabilidade e durabilidade, precisão de detecção, performance e demanda comercial. 

Concluindo, mesmo a agricultura ser uma técnica milenar, ela não está restrita ao avanço da humanidade e, com isso, da tecnologia. Desenvolver e aperfeiçoar equipamentos (com diferentes materiais) para vencer condições climáticas mais diversas para garantir a produtividade agrícola é uma atribuição extremamente importante e reforça a importância do papel do engenheiro de materiais na nossa sociedade.

A capacidade de fornecimento da energia distribuída com abordagens sustentáveis é bem vista como uma oportunidade de permitir novos caminhos em tecnologias emergentes, tais como dispositivos vestíveis (wearable devices), tecnologia integrada e robótica.

Em comparação com outras tecnologias de captação de energia mecânica, os nanogeradores triboelétricos (TENGs - triboelectric nanogenerators) podem coletar com eficiência a energia mecânica para alimentar eletrônicos e sensores, baseados em princípios de triboeletrificação e indução eletrostática, exibindo vantagens como baixo custo, fabricação simplificada e variedade de materiais e estruturas.

Os estudos envolvendo TENGs concentram-se principalmente no aumento da geração de energia, aumentando a área de superfície, projetando as propriedades materiais nas superfícies de contato e demonstrando em aplicações práticas.

A maioria dos TENGs de última geração são construídos com polímeros sintéticos que não são biocompatíveis, reduzindo suas perspectivas de aplicação e relevância em tecnologias biomédicas e ambientais. Com isso, entra a importância da quitosana neste estudo.

A quitosana é geralmente derivada da quitina natural após desacetilação com tratamentos alcalinos e pode ser produzida a partir de conchas de crustáceos marinhos. Além disso, é usada em vários campos como tratamento de água, administração de medicamentos e também na engenharia de tecidos e, ainda, são biodegradáveis, biocompatíveis e não apresentam citotoxicidade.

A viabilização econômica e a aplicação da engenharia em materiais biologicamente abundantes em nanosensores são significativas não apenas para a exploração científica fundamental, mas também para atender às necessidades da sociedade em questões de energia sustentável e na proteção ambiental.

O estudo realizado pelos autores desenvolveu um nanogerador triboelétrico de quitosana com ácido cítrico, a fim de alterar a superfície do material para otimizar o potencial através da alteração dos grupos funcionais expostos na superfície.

Os autores afirmam que a mudança do potencial de superfície de um material resulta da mudança de densidade da carga na superfície. No caso do estudo realizado, os autores adicionaram mais ácido cítrico para dissolver o pó de quitosana, aumentando o número de grupos hidroxila e amino, enquanto a quantidade de grupo carboxila diminui, o que foi o motivo principal para os diferentes potenciais de superfície em diferentes amostras realizadas.

Considerando que a quitosana é um material de baixo custo, biodegradável e ecologicamente correto, os autores exploraram a viabilidade do sensor desenvolvido de quitosana-ácido cítrico para aplicação como um sensor de velocidade de carro triboelétrico.

Além disso, os autores aplicaram abordagens de mineração de dados para analisar e aprender a relação entre os sinais triboelétricos adquiridos e as classes de velocidade do carro (ou seja, baixa, média ou alta velocidade), além de também prever a relação entre os sinais e os valores de velocidades do carro.

Concluindo, os autores afirmam que o desempenho e a eficiência dos sensores triboelétricos podem ser otimizados pela modulação das composições e das propriedades do material por meio de engenharia de superfície molecular, que oferece um potencial promissor para projetar e implementar TENGs baseados em biopolímeros de alto desempenho para nanossistemas auto alimentados em tecnologias sustentáveis.

O estudo realizado abre caminho para novas tecnologias que utilizam materiais bioderivados para fabricação economicamente viável e ecologicamente correta de dispositivos funcionais em aplicações de energia, eletrônica e sensores.

A demanda crescente por cuidados de saúde de forma segura, confortável e de alta qualidade levou a um aumento exponencial das tecnologias biomédicas e nos serviços de saúde. Neste aspecto, os sensores biomédicos e dispositivos médicos implantados estão substituindo gradualmente os dispositivos médicos utilizados tradicionalmente. Para simplificar, sensores biomédicos definem uma classe de equipamentos, desenvolvidos por meio de uma combinação de engenharia e biomedicina, que detectam e/ou respondem a sinais fisiológicos do corpo humano.

O artigo aponta que um dos problemas mais críticos nesse ambiente de aplicação biomédica é a confiabilidade da fonte de alimentação para os sensores biomédicos e dos dispositivos implantáveis. A transmissão tradicional de energia elétrica (baseada em contato através de fios) é propensa ao desgaste e exposição ao longo do prazo, que leva ao contato acidental e ao choque elétrico, representando um risco potencial para o paciente.

Com isso, o artigo apresenta os nanogeradores, que são dispositivos que coletam micro energias, energias nano-mecânicas e energias térmicas e as converte em energia elétrica. Sendo assim, o nanogerador se apresenta como uma nova tecnologia que pode possibilitar o desenvolvimento de dispositivos auto-alimentados, criando um novo campo de captação e conversão de energia. Além disso, existem três abordagens técnicas típicas para nanogeradores, baseadas em três diferentes mecanismos de geração de energia: piezoelétrico, triboelétrico e piroelétrico.

Na área da biomedicina, o artigo mostra que os nanogeradores podem ser usados diretamente em biossensores para converter sinais biológicos em sinais elétricos. Por exemplo, nano-dispositivos, como acessórios, podem ser usados fora do corpo para coletar a respiração, expressão facial e outras informações. Já o nanogerador implantável pode ser usado para detectar informações como frequência cardíaca e açúcar no sangue.

O artigo apresenta um exemplo de sensores para cada mecanismo de geração de energia. No mecanismo triboelétrico, um sensor de pulso ultra sensível auto-alimentado flexível (SUPS - self-powered ultrasensitive pulse sensor) pode monitorar informações fisiológicas relacionadas a doenças cardiovasculares em tempo real. No mecanismo piroelétrico, é apresentado um exemplo de um dispositivo respiratório auto-alimentado, onde o sensor foi proposto para coletar energia respiratória, detecção respiratória e detecção da temperatura ambiente. Por fim, no mecanismo piezoelétrico, o artigo cita um sensor implantável à base de óxido de zinco (ZnO) para coletar energia gerada pela respiração e batimentos cardíacos.

Atualmente, os nanogeradores apresentam um potencial considerável para fornecimento de energia em dispositivos biomédicos, além de promover a proliferação de células e entrega de drogas, além da estimulação elétrica direta.

O artigo conclui que os materiais para eletrificação e sensoriamento devem oferecer flexibilidade, durabilidade e biocompatibilidade. Além disso, os desempenhos dos nanogeradores podem ser adaptados regulando e acoplando os materiais triboelétricos, piezoelétricos e piroelétricos. Com isso, dando ênfase na importância dos materiais utilizados nos sensores, que são necessários para garantir a adaptação desses dispositivos às diversas formas e ambientes internos, ou seja, excelente biocompatibilidade.