SoilNutri: Ein passives, metasurface-basiertes, kostengünstiges System zur Überwachung von Bodenfeuchtigkeit und Stickstoff

Für die intelligente Landwirtschaft ist eine effiziente und skalierbare Erfassung der wichtigsten Bodenparameter erforderlich. Während derzeitige drahtlose Sensorsysteme kostengünstige Alternativen bieten, sind aktive Designs auf mit Strom versorgte unterirdische Komponenten angewiesen, die potenzielle Instabilitäts- und Kontaminationsrisiken bergen, wohingegen passive, batteriefreie Ansätze unter eingeschränkter Genauigkeit leiden und typischerweise auf Feuchtigkeitsdetektion begrenzt sind. Diese Arbeit stellt SoilNutri vor, eine vollständig passive und batteriefreie Metaflächenkapsel, die eine simultane, hochpräzise Erfassung der Bodenfeuchtigkeit und Stickstoffkonzentration ermöglicht. Das System nutzt eine complementary split-ring (CSR) Metafläche, integriert in eine sandwichartige Kapselstruktur, die elektromagnetische Abschirmung und stabile Kopplung mit dem umgebenden Boden gewährleistet. Ein leichtgewichtiges zweistufiges soil-meta-VAE-Framework rekonstruiert vom Boden verzerrte Reflexionsspektren und prognostiziert gemeinsam Feuchtigkeit und Stickstoff aus einer gemeinsamen latenten Repräsentation. Umfangreiche Labor- und Feldversuche zeigen eine hochpräzise Feuchtigkeitsschätzung mit 0,64 % MAE und eine Stickstoffvorhersage im ppm-Bereich mit 5,14 ppm MAE über verschiedene Bodentypen, Tiefen und saisonale Bedingungen hinweg. Mit Kosten pro Einheit unter 1 und einem wiederverwendbaren, gekapselten Design bietet SoilNutri eine skalierbare, nachhaltige und physikalisch interpretierbare Lösung für die multi-nährstoffbezogene, in-situ Bodenüberwachung der nächsten Generation in der intelligenten Landwirtschaft.