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Os rendimentos médios das colheitas em África estão consistentemente muito abaixo do esperado, e uma razão significativa é a prevalência de sementes falsificadas cujas taxas de germinação são muito inferiores às das genuínas. O Banco Mundial estima que até metade de todas as sementes vendidas em alguns países africanos são falsas, o que pode ajudar a explicar a produção agrícola que está muito abaixo do potencial.
Houve muitas tentativas de impedir essa falsificação por meio de etiquetas de rastreamento, mas nenhuma se mostrou eficaz; entre outras questões, tais rótulos têm sido vulneráveis a hackers devido à natureza determinística de seus sistemas de codificação. Mas agora, uma equipe de pesquisadores do MIT criou uma espécie de pequena etiqueta biodegradável que pode ser aplicada diretamente nas próprias sementes e que fornece um código exclusivo criado aleatoriamente que não pode ser duplicado.
O novo sistema, que usa pontos minúsculos de material à base de seda, cada um contendo uma combinação única de diferentes assinaturas químicas, é descrito hoje na revista Avanços da ciência em um artigo do reitor de engenharia do MIT, Anantha Chandrakasan, do professor de engenharia civil e ambiental Benedetto Marelli, do pós-doutorado Hui Sun e do aluno de pós-graduação Saurav Maji.
O problema da falsificação é enorme globalmente, apontam os pesquisadores, afetando tudo, desde medicamentos a produtos de luxo, e muitos sistemas diferentes foram desenvolvidos para tentar combatê-lo. Mas tem havido menos atenção ao problema na área da agricultura, embora as consequências possam ser graves. Na África subsaariana, por exemplo, o Banco Mundial estima que as sementes falsificadas são um fator significativo no rendimento das colheitas, cuja média é inferior a um quinto do potencial do milho e menos de um terço do arroz.
Marelli explica que a chave para o novo sistema é criar um objeto físico produzido aleatoriamente cuja composição exata é praticamente impossível de duplicar. Os rótulos que eles criam “alavancam a aleatoriedade e a incerteza no processo de aplicação, para gerar características de assinatura únicas que podem ser lidas e que não podem ser replicadas”, diz ele.
O que eles estão lidando, acrescenta Sun, “é o velho trabalho de tentar, basicamente, não ter suas coisas roubadas. E você pode tentar o máximo que puder, mas eventualmente alguém sempre é inteligente o suficiente para descobrir como faça isso, então nada é realmente inquebrável. Mas a ideia é que é quase impossível, senão impossível, replicá-lo, ou exige tanto esforço que não vale mais a pena.
A ideia de um código “não clonável” foi originalmente desenvolvida como uma forma de proteger a autenticidade dos chips de computador, explica Chandrakasan, que é o professor Vannevar Bush de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação. “Nos circuitos integrados, os transistores individuais têm propriedades ligeiramente diferentes nas variações de dispositivos”, explica ele, “e você pode usar essa variabilidade e combiná-la com circuitos de nível superior para criar uma identificação exclusiva para o dispositivo. E uma vez que você tenha isso , então você pode usar esse ID exclusivo como parte de um protocolo de segurança. Algo como a variabilidade do transistor é difícil de replicar de dispositivo para dispositivo, então é isso que lhe dá sua exclusividade, em vez de armazenar um ID fixo específico.” O conceito é baseado no que é conhecido como funções fisicamente não clonáveis, ou PUFs.
A equipe decidiu tentar aplicar esse princípio PUF ao problema de sementes falsas, e o uso de proteínas da seda foi uma escolha natural porque o material não é apenas inofensivo ao meio ambiente, mas também classificado pela Food and Drug Administration no “geralmente reconhecido como seguro”, portanto não requer aprovação especial para uso em produtos alimentícios.
“Você pode cobri-lo com sementes”, diz Maji, “e se você sintetizar a seda de uma certa maneira, ela também terá variações aleatórias naturais. Então essa é a ideia, que cada semente ou cada bolsa possa ter uma assinatura única. “
O desenvolvimento de soluções eficazes de sistemas seguros tem sido uma das especialidades da Chandrakasan, enquanto a Marelli passou muitos anos desenvolvendo sistemas para aplicar revestimentos de seda a uma variedade de frutas, vegetais e sementes, portanto, sua colaboração foi natural para o desenvolvimento de uma codificação baseada em seda sistema para maior segurança.
“O desafio era que tipo de fator de forma dar à seda”, diz Sun, “para que ela pudesse ser fabricada com muita facilidade”. Eles desenvolveram uma abordagem simples de drop-casting que produz etiquetas com menos de um décimo de polegada de diâmetro. O segundo desafio foi desenvolver “uma forma em que possamos ler a singularidade, também de uma forma muito rápida e fácil”.
Para os códigos exclusivos baseados em seda, diz Marelli, “acabamos encontrando uma maneira de adicionar uma cor a essas micropartículas para que elas se reúnam em estruturas aleatórias”. Os padrões únicos resultantes podem ser lidos não apenas por um espectrógrafo ou um microscópio portátil, mas também por uma câmera de celular comum com uma lente macro. Essa imagem pode ser processada localmente para gerar o código PUF e depois enviada para a nuvem e comparada com um banco de dados seguro para garantir a autenticidade do produto. “É aleatório para que as pessoas não possam replicá-lo facilmente”, diz Sun. “As pessoas não podem prever sem medir.”
E o número de permutações possíveis que podem resultar da maneira como eles misturam quatro tipos básicos de nanopartículas de seda coloridas é astronômico. “Conseguimos mostrar que, com uma quantidade mínima de seda, conseguimos gerar 128 bits aleatórios de segurança”, diz Maji. “Portanto, isso dá origem a 2 elevado a 128 combinações possíveis, o que é extremamente difícil de decifrar, dadas as capacidades computacionais dos sistemas de computação de última geração”.
Marelli diz que “para nós, é um bom campo de teste para pensar fora da caixa e como podemos ter um caminho que de alguma forma seja mais democrático”. Nesse caso, isso significa “algo que você pode ler literalmente com seu telefone e pode fabricar simplesmente lançando uma solução, sem usar nenhuma técnica de fabricação avançada, sem entrar em uma sala limpa”.
Algum trabalho adicional será necessário para tornar este produto comercial prático, diz Chandrakasan. “Terá que haver um desenvolvimento para a leitura em escala” via smartphones. “Então, essa é claramente uma oportunidade futura.” Mas o princípio agora mostra um caminho claro para o dia em que “um agricultor poderia, pelo menos, talvez não todas as sementes, mas talvez pudesse pegar algumas sementes aleatórias em um determinado lote e verificá-las”, diz ele.
A pesquisa foi parcialmente financiada pelo Escritório de Pesquisa Naval dos Estados Unidos e pela National Science Foundation, Analog Devices Inc., uma bolsa EECS Mathworks e Paul M. Cook Career Development Professorship.
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