別紙42 (課程博士(和文))2021年

電気・電子情報工学専攻
氏名

学籍番号第200201号

指導教員

1月

澤田
高橋

8日

和明

一浩

村田光明

論文内容の要旨(博士)
博士学位論文名

小型センサアレイを用いたオンサイト士壌環境計測技術開発(要旨 1,200字程度)
現在、高品質,高効率を目指したスマート農業が盛んに研究されている。特に精密農業が、植物の生産効率を高める農法として利用されている。精窟農業は、圃場の環境を測定し調整する必要がある。
圃場環境の中でも士壌環境は、植物の養分や水分吸収に重要な環境である。これまでの士壌環境の測定は、測定斑を防ぐため位置精度が数Cmある代表値を測定している。そのため、高効率だが生育障害になりやすい接触施肥法への応用などに課題がある。さらに位置精度の高い測定方法は、オンサイトで測定できないため、士壌を採取して環境を変化させる必要があり、連続的に同位置を測定できない課題があった。本研究では、水田および畑士壌の代表的な指標である酸化還元電位(ORP)や電気伝導度(EC)を測定できるミリメータスケールのセンサアレイを提案,製作する。製作したセンサア
レイは、オンサイトで位置精度がミリメータスケールの士壌環境分布を連ネ冠則定できる装置である。
水田士壌で士壌の ORP は、水稲の生育障害判定などに利用されている。位置精度がミリメータスケールの ORPセンサの継ホ却則定は、士壌粒子によって困難であると言われている。本研究では、

ミ

リメータスケールの ORP分布をホ畷涜測定するため、 0.7 mm の Pt 作用電極25個,銀・塩化銀参照電極,データロガーとプログラムリレーの組み合わせにより、電荷移動が少なく継ネ摺則定できるセンサアレイを提案した。製作したセンサは標準溶液,水田士壌で動作を確認できた。応用伊ルして、

ミ

リメータスケールの現象である水稲根,還元剤近傍の酸化還元過程を測定した。結果、還元剤近傍の特異なORP低下および水稲根近傍の特異なORP上昇を確認できた。したがって本センサアレイは、根近傍などの酸化還元状態把握に非常に有用であると確認できた。畑士壌で士壌のECは、肥料濃度の指標として用いられる。本研究では、位置精度がミリメータスケールのEC分布を継続測定するため、5mm のEC測定用チップを加工,アレイ化したセンサアレイを提案した。オンサイトで測定するため、一般的な士壌の物理モデルから校正式を導いた。製作したセンサは、士壌で動作確認および校正できた。応用例として、ミリメータスケールの現象である士壌中の肥料溶解に伴う肥料拡散の測定を行った。結果、肥料の溶解および拡散に伴うEC分布の変化を採取士壤ECと比較することで確認できた。さらに、ミリメータスケールのEC分布時間変化から士壌肥料拡散係数の算出を行った。
2士壌で異なる拡散係数を算出できた。したがって本センサアレイは、肥料近傍などのミリメータスケールの肥料移動を測定するために有用であると確認できた。
以上の結果より今後の研究では、小型センサアレイを用いてミリメータスケールの士壤環境分布を測定することで、生育障害を発生させることなく、より高効率な接触施肥法などを利用した農法に応用することが期待できる。

別紙41 (課程博士(英文))Date of submission (month day, year)

Department of
EleC辻ical a11d
EleC柱'01)iC 11)forma廿.on

Kazuakisawada
StudentlD Number

En部lee血)宮Pplicant's name

January 8小,2021

D200201

Kazuhiro Takahashi
SupervlsoTS

Hiroaki Murata

Abstract (Doctor)
Title ofThesis

On site Monitorln8 Teclm010gy for s011 Envil'omnents usino smaⅡ Sensor Arrays

Approx.80o words
Sma11 agriculture wlth high quality a11d high e行iciency is being actively researched.1nPa1北icular, tl〕e precision agricult山'e is used as a fω'ming method to ilnprove production e丘Iciency
Precision agriculture needs to measul'e a11d adjustthe 壬leld envh'onment. The soil envir0111nent in
the field is imponant for nutrient and water absorption of plal)ts. C山rent soil envirot)1nent
measurements measure representative values with a position accuracy of several centimeters toPrevent lneasurement spots.1h飢'efore, there is a problem in applyil〕g it to a contact fedilization
method that easily causes growth disorders. soil envir01)1nent measlu'ement met110ds with highPosition accuracy calmot be measured on site.1he soil envlromnent measurement method withhigh position accuracy has problems that calmot be lneasured on site and that the sa11〕e position
Catmot be continuously measured because the soilis c0Ⅱected.1n this research, we proposed andfabricated a miⅡimeter scale sensor an'ay tha( could meaS11re oxidation・reduction potential(ORP)
and electrical conductivity (EC), which are typicalindexes of paddy field and field soilenvlr01〕1nent、 1he sensor array is a device that cal) continuously measure the soil envir01)1nent

distribution with a position accuracy ofmi11imeter scale on site
The oRp of paddy soilis used for detern〕ining physi010gical disorda's of paddy rice
Continuous measuremel〕t oflni11imeter scale oRp with sensors is di錨Cult due to the inauence ofSoil particles in paddy soil.1n this study, we proposed d)e oRp sensor arl'ay for continuous
measurement of milHlneter scale oRp distribulion on site in paddy soil. The oRp sensor alTay

Consists of t＼Nenty・five pt working electrodes (0,7 mm), Ag・Agcl refa'ence electrode, data
10gger and program relays. The oRp sensor array were employed reversible ceⅡ.10n bala11Cenear the electrodes is cha11ged by tl〕e soil parricles and continuous measurements. Therefore,reversible ceⅡ Creation timinσ is contr0Ⅱed by the program relay for ion balance. The oRP

Sensor an'ay can continuously measure mi11imeter scale oRp for minimizing charge transfer. The
Operation ofthe oRp sensor anay was con6rmed in the standard solution a11d paddy soil. As anapplication, ORp sensor anay measured the redox process near paddy roots al]̲d reducing agents,

Which is a milHmeter scale phenomenon. As a result, a peculiar decrease in oRp near the
reducing aσent and a peculiar inu'ease in oRp neal' the paddy root were confirn)ed.1ha'efore,this oRp sensor anay is very use会.11 for graspin8 the redox state in the vicinity ofroots. The EC
Offield soilis used as an index offedilizer concentration、 1he fedilizer movementin the aroundroot is dif会.1Sion when water is not supplied, and fe此ilizer is low solubility. The dif漁.1Sion isestimated 丘'om the continuous fertiliza' distribution of milHmeter scale.1n this study, weProposed the Ec sensor array for continuous meaS山'ement ofmi11imeter scale Ec distribution on

Site in 丘eld soil. The Ec sensor array is constructed by processing and ananging multiple 5 mm
Ec sensor chips. soil Ec measurements were employed lo kHz sine wave inputto tl)e two pt

electrodes.1he Ec sensor output is also a仟ected by the Ec outside. The calibration formula ofEc sensor an'ay for meaS山'ement on site in the soil was derived from a general soil physical1〕〕odel,1he operation and calibration of the Ec sensor array was confirmed in the field soil. AS
an application, Ec sensor anay measured fe11ilizer di伍.1Sion associated with fertilizer dissolution

in soil, which is a mi11in〕eter scale phenomenon. As a result, Ec distribution chatlges due todissolution a11d di伍.1Sion of feltilizer were confinned by comparison with the c0Ⅱected soil EC
In addition, the soil fertilizer dia'usion coe伍Cient was calculated from the Ec distTibution

Change on the milHmeta' scale. The method of calculating the fediliza' diffusion coefflcient is aComparison between the model calculated from Fick'S 負rstlaw arld the measured Ec distributionChal)σe. The Ec sensor array was able to calculate di丘erent dif6.1Sion coe伍Cients for the twotypes of soils.1ha'efore, this Ec sensor array is va'y useful for measurino fertilizer movement
On a mi11imeter scale, such as near fedilizer dissolution
In the 61ture research, measuren〕ent of mi11imeter scale soil envh'onlncnt distribution using a
SmaⅡ Sensor anay can be applied to a fω'n〕ing lnethod uslng a highly e伍Cient contact

fertilization method without physi010gical diS田der