Los rendimientos promedio de los cultivos en África son constantemente muy inferiores a los esperados, y una razón importante es la prevalencia de semillas falsificadas cuyas tasas de germinación son mucho más bajas que las de las genuinas. El Banco Mundial estima que hasta la mitad de todas las semillas vendidas en algunos países africanos son falsas, lo que podría ayudar a explicar la producción de cultivos que está muy por debajo de su potencial.
Ha habido muchos intentos de evitar esta falsificación mediante etiquetas de seguimiento, pero ninguno ha resultado eficaz; entre otros problemas, dichas etiquetas han sido vulnerables a la piratería debido a la naturaleza determinista de sus sistemas de codificación. Pero ahora, un equipo de investigadores del MIT ha ideado una especie de etiqueta pequeña y biodegradable que se puede aplicar directamente a las semillas y que proporciona un código único creado al azar que no se puede duplicar.
El nuevo sistema, que utiliza minúsculos puntos de material a base de seda, cada uno con una combinación única de diferentes firmas químicas, se describe hoy en la revista Science Advances en un artículo del decano de ingeniería del MIT, Anantha Chandrakasan, profesor de ingeniería civil y ambiental Benedetto. Marelli, el posdoctorado Hui Sun y el estudiante graduado Saurav Maji.
El problema de la falsificación es enorme a nivel mundial, señalan los investigadores, y afecta a todo, desde medicamentos hasta artículos de lujo, y se han desarrollado muchos sistemas diferentes para tratar de combatirlo. Pero ha habido menos atención al problema en el área de la agricultura, aunque las consecuencias pueden ser graves. En el África subsahariana, por ejemplo, el Banco Mundial estima que las semillas falsificadas son un factor significativo en el rendimiento de los cultivos que promedian menos de una quinta parte del potencial del maíz y menos de un tercio del arroz.
Marelli explica que una clave del nuevo sistema es crear un objeto físico producido aleatoriamente cuya composición exacta es prácticamente imposible de duplicar. Las etiquetas que crean “aprovechan la aleatoriedad y la incertidumbre en el proceso de aplicación para generar características de firma únicas que se pueden leer y que no se pueden replicar”, dice.
Con lo que están lidiando, agrega Sun, “es el viejo trabajo de intentar, básicamente, que no te roben tus cosas. Y puedes intentar todo lo que puedas, pero eventualmente alguien siempre es lo suficientemente inteligente como para descubrir cómo hacerlo, por lo que nada es realmente irrompible. Pero la idea es que es casi imposible, si no imposible, replicarlo, o requiere tanto esfuerzo que ya no vale la pena”.
La idea de un código “no clonable” se desarrolló originalmente como una forma de proteger la autenticidad de los chips de computadora, explica Chandrakasan, quien es profesor de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación en Vannevar Bush. “En los circuitos integrados, los transistores individuales tienen propiedades levemente diferentes a las variaciones del dispositivo acuñado”, explica, “y luego podría usar esa variabilidad y combinar esa variabilidad con circuitos de nivel superior para crear una identificación única para el dispositivo. Y una vez que tenga eso, puede usar esa identificación única como parte de un protocolo de seguridad. Algo así como la variabilidad del transistor es difícil de replicar de un dispositivo a otro, por lo que es lo que le da su singularidad, en lugar de almacenar una identificación fija particular”. El concepto se basa en lo que se conoce como funciones físicamente no clonables o PUF.
El equipo decidió tratar de aplicar ese principio PUF al problema de las semillas falsas, y el uso de proteínas de seda fue una elección natural porque el material no solo es inofensivo para el medio ambiente, sino que también está clasificado por la Administración de Drogas y Alimentos en la categoría “generalmente”. reconocida como segura”, por lo que no requiere aprobación especial para su uso en productos alimenticios.
“Podrías cubrirlo con semillas”, dice Maji, “y si sintetizas la seda de cierta manera, también tendrá variaciones aleatorias naturales. Esa es la idea, que cada semilla o cada bolsa pueda tener una firma única”.
El desarrollo de soluciones de sistemas seguros eficaces ha sido durante mucho tiempo una de las especialidades de Chandrakasan, mientras que Marelli ha pasado muchos años desarrollando sistemas para aplicar recubrimientos de seda a una variedad de frutas, verduras y semillas, por lo que su colaboración fue natural para desarrollar una codificación basada en seda. sistema hacia una mayor seguridad.
“El desafío era qué tipo de factor de forma darle a la seda”, dice Sun, “para que se pueda fabricar muy fácilmente”. Desarrollaron un enfoque simple de fundición por caída que produce etiquetas de menos de una décima de pulgada de diámetro. El segundo desafío fue desarrollar “una forma en la que podamos leer la singularidad, también de una manera fácil y de alto rendimiento”.
Para los códigos únicos a base de seda, dice Marelli, “finalmente encontramos una manera de agregar un color a estas micropartículas para que se ensamblen en estructuras aleatorias”. Los patrones únicos resultantes pueden leerse no solo con un espectrógrafo o un microscopio portátil, sino incluso con la cámara de un teléfono celular común con una lente macro. Esta imagen puede procesarse localmente para generar el código PUF y luego enviarse a la nube y compararse con una base de datos segura para garantizar la autenticidad del producto. “Es aleatorio para que la gente no pueda replicarlo fácilmente”, dice Sun. “La gente no puede predecirlo sin medirlo”.
Y la cantidad de posibles permutaciones que podrían resultar de la forma en que mezclan cuatro tipos básicos de nanopartículas de seda de colores es astronómica. “Pudimos demostrar que con una cantidad mínima de seda, pudimos generar 128 bits aleatorios de seguridad”, dice Maji. “Así que esto da lugar a 2 a la potencia de 128 combinaciones posibles, que es extremadamente difícil de descifrar dadas las capacidades computacionales de los sistemas informáticos de última generación”.
Marelli dice que “para nosotros, es un buen banco de pruebas para pensar fuera de la caja y cómo podemos tener un camino que de alguna manera sea más democrático”. En este caso, eso significa “algo que literalmente puede leer con su teléfono y puede fabricar simplemente lanzando una solución, sin utilizar ninguna técnica de fabricación avanzada, sin entrar en una sala limpia”.
Se necesitará algo de trabajo adicional para hacer de este un producto comercial práctico, dice Chandrakasan. “Tendrá que haber un desarrollo para la lectura a escala” a través de teléfonos inteligentes. “Entonces, esa es claramente una oportunidad futura”. Pero el principio ahora muestra un camino claro hacia el día en que “un agricultor podría al menos, tal vez no todas las semillas, pero tal vez podría tomar algunas semillas al azar en un lote en particular y verificarlas”, dice.
La investigación fue apoyada parcialmente por la Oficina de Investigación Naval de EE. UU. y la Fundación Nacional de Ciencias, Analog Devices Inc., una beca EECS Mathworks y una cátedra de desarrollo profesional Paul M. Cook.
Fuente:
Tackling counterfeit seeds with “unclonable” labels. (2023, 22 marzo). MIT News | Massachusetts Institute of Technology. https://news.mit.edu/2023/tackling-counterfeit-seeds-unclonable-labels-0322