MIT-Forscher haben ein bahnbrechendes Markierungssystem auf Seidenbasis entwickelt, um gefälschtes Saatgut zu bekämpfen, das einen wesentlichen Beitrag zu niedrigen Ernteerträgen in Afrika leistet. Wie in der Zeitschrift beschrieben Wissenschaft Fortschritte, verwendet das System winzige Seidenpunkte, die jeweils eine einzigartige Kombination chemischer Signaturen enthalten ein „nicht klonbarer“ Code, der nicht repliziert werden kann.
Gefälschtes Saatgut hat Landwirte in vielen afrikanischen Ländern geplagt, wobei die Weltbank schätzt, dass bis zur Hälfte aller verkauften Saaten in einigen Regionen gefälscht sind. Dies trägt zu Ernteerträgen bei, die weit unter dem Potenzial liegen, was zu erheblichen Verlusten für die Landwirte führt.
Frühere Versuche, die Fälschung von Saatgut mithilfe von Tracking-Etiketten zu verhindern, waren aufgrund ihrer Anfälligkeit für Hacker erfolglos. Das neue seidenbasierte Tagging-System nutzt jedoch Zufälligkeit und Unsicherheit im Anwendungsprozess, wodurch eine Replikation praktisch unmöglich wird.
Anantha Chandrakasan, Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen, Benedetto Marelli, Postdoc Hui Sun, und MIT-Dekan für Ingenieurwissenschaften Doktorand Saurav Maji arbeitete an dem Projekt mit und kombinierte ihre Expertise in sicheren Systemlösungen und Seidenbeschichtungssystemen.
Marelli erklärt, dass ein Schlüssel zum neuen System darin besteht, ein zufällig produziertes physisches Objekt zu erstellen, dessen genaue Zusammensetzung praktisch unmöglich zu duplizieren ist. Die Etiketten, die sie erstellen, „nutzen Zufälligkeit und Unsicherheit im Anwendungsprozess, um einzigartige Signaturmerkmale zu erzeugen, die gelesen und nicht reproduziert werden können“, sagt er in einer Pressemitteilung.
Womit sie es zu tun haben, fügt Sun hinzu, „ist der uralte Job, im Grunde zu versuchen, die eigenen Sachen nicht zu stehlen. Und Sie können so viel wie möglich versuchen, aber irgendwann ist immer jemand klug genug, um herauszufinden, wie es geht, also ist nichts wirklich unzerbrechlich. Aber die Idee ist, es ist fast unmöglich, wenn nicht unmöglich, es zu replizieren, oder es kostet so viel Aufwand, dass es sich nicht mehr lohnt.“
Die Idee eines „nicht klonbaren“ Codes wurde ursprünglich entwickelt, um die Authentizität von Computerchips zu schützen, erklärt Chandrakasan, Vannevar Bush-Professor für Elektrotechnik und Informatik. „In integrierten Schaltkreisen haben einzelne Transistoren leicht unterschiedliche Eigenschaften, die durch Gerätevariationen geprägt werden“, erklärt er, „und Sie könnten diese Variabilität dann nutzen und diese Variabilität mit übergeordneten Schaltkreisen kombinieren, um eine eindeutige ID für das Gerät zu erstellen. Und sobald Sie das haben, können Sie diese eindeutige ID als Teil eines Sicherheitsprotokolls verwenden. So etwas wie die Transistorvariabilität ist schwer von Gerät zu Gerät zu replizieren, das verleiht ihm seine Einzigartigkeit im Vergleich zum Speichern einer bestimmten festen ID.“ Das Konzept basiert auf sogenannten Physical Unclonable Functions, kurz PUFs.
Für die einzigartigen Codes auf Seidenbasis, sagt Marelli, „fanden wir schließlich einen Weg, diesen Mikropartikeln eine Farbe hinzuzufügen, damit sie sich in zufälligen Strukturen anordnen.“ Die daraus resultierenden einzigartigen Muster können nicht nur von einem Spektrographen oder einem tragbaren Mikroskop ausgelesen werden, sondern sogar von einer gewöhnlichen Handykamera mit Makroobjektiv. Dieses Bild kann lokal verarbeitet werden, um den PUF-Code zu generieren, dann an die Cloud gesendet und mit einer sicheren Datenbank verglichen werden, um die Echtheit des Produkts sicherzustellen. „Es ist zufällig, sodass die Leute es nicht einfach replizieren können“, sagt Sun. „Die Leute können es nicht vorhersagen, ohne es zu messen.“
Und die Anzahl möglicher Permutationen, die sich aus der Art und Weise ergeben könnten, wie sie vier Grundtypen farbiger Seidennanopartikel mischen, ist astronomisch. „Wir konnten zeigen, dass wir mit einer minimalen Menge an Seide 128 zufällige Sicherheitsbits generieren konnten“, sagt Maji. „Das ergibt also 2 hoch 128 mögliche Kombinationen, was angesichts der Rechenkapazitäten der hochmodernen Computersysteme äußerst schwierig zu knacken ist.“
Marelli sagt: „Für uns ist es ein guter Prüfstand, um unkonventionell zu denken und wie wir einen Weg finden können, der irgendwie demokratischer ist.“ In diesem Fall bedeutet das „etwas, das Sie buchstäblich mit Ihrem Telefon lesen können, und Sie können durch einfaches Fallgießen eine Lösung herstellen, ohne eine fortschrittliche Fertigungstechnik zu verwenden, ohne in einen Reinraum zu gehen.“
Einige zusätzliche Arbeiten sind erforderlich, um daraus ein praktisches kommerzielles Produkt zu machen, sagt Chandrakasan. „Es muss eine Entwicklung für das maßstabsgetreue Auslesen“ über Smartphones geben. "So. das ist eindeutig eine Chance für die Zukunft.“ Aber das Prinzip zeigt einen klaren Weg zu dem Tag, an dem „ein Landwirt zumindest, vielleicht nicht jeden Samen, aber vielleicht einige zufällige Samen in einer bestimmten Charge nehmen und verifizieren könnte“, sagt er.
Während weitere Entwicklungen erforderlich sind, um das auf Seide basierende Kennzeichnungssystem zu einem praktischen kommerziellen Produkt zu machen, stellen sich die Forscher eine Zukunft vor, in der Landwirte Saatgut in einer bestimmten Charge mit ihren Smartphones nach dem Zufallsprinzip überprüfen können. Diese Innovation könnte die Prävalenz von gefälschtem Saatgut erheblich reduzieren und die Ernteerträge für Landwirte in ganz Afrika und darüber hinaus verbessern.
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Sun, H., Maji, S., Chandrakasan, AP und Marelli, B. (2023) „Integration von Biopolymer-Design mit physikalisch nicht klonbaren Funktionen für Fälschungsschutz und Produktrückverfolgbarkeit in der Landwirtschaft" Wissenschaft Fortschritte, 9(12). Verfügbar um: https://doi.org/10.1126/sciadv.adf1978.
