재래식 농업은 모든 생명체와 전체 생태계의 건강에 부정적인 영향을 미치는 고화학 화합물에만 의존합니다. 따라서 작물에 지속 가능한 방식으로 원하는 구성 요소를 스마트하게 전달하는 것은 향후 몇 년 동안 토양 건강을 유지하기 위한 주요 요구 사항입니다. 성장 촉진 성분의 조기 손실과 토양에서의 장기간의 분해는 신뢰할 수 있는 새로운 기술에 대한 수요를 증가시킵니다. 이와 관련하여 나노기술은 기존 농업보다 임박한 잠재력을 가진 농업 기술 분야에 혁명을 일으키고 계속 증가하는 세계 인구를 위한 현저한 식량 안보를 보류하는 회복력 있는 농작물 시스템을 개혁하는 데 도움이 됩니다. 또한, 식물-나노입자 상호작용에 대한 심층 조사는 향상된 작물 수확량, 질병 저항성 및 효율적인 영양소 활용을 통해 작물 개선을 위한 새로운 길을 만듭니다. 스마트 농약 활동과 나노물질의 통합 및 효능 향상과 관련된 새로운 프레임워크 구축은 궁극적으로 미래의 사회적 수용, 잠재적 위험 및 관리 문제를 해결하는 데 도움이 됩니다. 여기에서 우리는 작물 보호 및 생산에서 지속 가능하고 안정적인 대안으로서 나노물질 또는 나노복합물의 역할을 강조합니다. 또한, 제어 방출 시스템, 토양 및 미생물군집과의 상호작용에서의 역할, 나노농약, 나노제초제, 나노비료로서의 나노복합체의 유망한 역할 및 농화학적 활성에서의 이들의 한계에 대한 정보가 본 리뷰에서 논의됩니다.
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전 세계적으로 사람들은 기본적인 식량 작물과 섬유, 연료, 사료 및 원료와 같은 다양한 필수 형태의 제품을 재배하기 위해 농업에 고용되어 있습니다. 제한된 자원과 기하급수적으로 증가하는 인구(2050년까지 96억 명에 이를 것으로 추정됨)로 인해 파생된 지역은 전 세계 기아와 빈곤의 감소를 허용하면서 매우 지속 가능한 농업의 정교화를 요구합니다[1, 2]. 이러한 끊임없는 인구 증가의 요구를 충족시키기 위해서는 식량 생산을 50% 이상 증가시키는 것이 시급한 전제 조건입니다[2, 3]. 제한된 수의 천연 자원(물, 토지, 토양, 산림 등)과 작물 생산성의 한계로 인해 실행 가능하고 경제적이고 친환경적인 효과적인 농업 접근 방식에 대한 수요가 많습니다. 이러한 딜레마를 극복하기 위해 합성 농약(제초제, 살충제, 살균제, 비료)이 개발되어 농업 수확량을 늘리는 데 사용되었습니다[4, 5]. 그러나 이러한 농약의 적용은 지난 수십 년 동안 이러한 농약이 토양 건강과 생태계에 미치는 장기적인 악영향을 평가하기 위해 식품의 질과 양을 높이는 데 중요한 역할을 했습니다[6]. 그러나 농업 부문에서 유용성을 위한 화학적 대안으로서 나노입자 응용에 대한 연구는 나중에 나노농약으로 지칭되는 지난 10년 동안 인기를 높이고 있습니다[7]. 환경에서의 의도적이고 방향성 있는 전달인 나노농약은 예상 가능한 환경 문제의 측면에서 특정한 것으로 간주될 수 있습니다. 나노농약은 조작된 나노입자(NP)의 단일 확산 원인을 나타내기 때문입니다[8, 9]. 이를 감안할 때, 그러한 이니셔티브 중 하나는 증가하는 수요에 따른 변형의 새로운 이점을 제공하는 상당한 표면적 대 부피 비율로 인해 우수한 반응성을 포함하는 현재 농업 관행을 혁신하기 위한 스마트 나노물질의 최전선입니다[2].
현대 농업은 제한된 자원에서 최대 생산량을 달성할 수 있는 이러한 현대 시대 재료를 사용하여 지속 가능한 농업으로 혁신하고 있습니다[10]. 일반적으로 농약은 작물의 생산성을 높이는 데 필수적이지만, 반대로 농약을 사용하면 토양 무기질 균형을 방해하여 토양 비옥도를 저하시킵니다[11]. 더욱이, 엽면이나 분무로 살포하는 것은 비용 효율적이고 매우 높을 수 있으며, 이는 흘러내리고 통제가 필요합니다[12]. 농업에서 개발된 나노물질 기반 화학물질은 영양 고갈률, 수확량 감소, 작물 재배를 위한 투입 비용, 보호, 생산 및 수확 후 손실 최소화를 조절합니다[3]. 나노복합체는 고유의 고유한 열적, 전기적, 화학적, 기계적 특성 때문에 식물의 수명 주기를 조사하고 자극하기 위한 나노물질의 핵심 구성요소가 되었습니다. 크기 의존적 전위는 식물 부분 내에서 0.1–1000 nm 범위에 있으며 표면 조성, NP의 전하(높은 음전하를 띠면 더 많은 전위를 나타냄) 및 식물 크기 배제 한계에 따라 변경됩니다[10, 13]. 이러한 침투 경로는 나노살충제를 사용한 다양한 시험관 내(여과지, 수경법, 한천 배지, Hoagland 용액, Mursashige 및 Skoog 배지, 영양 용액) 및 생체 내(엽면 흡수, 가지 공급, 줄기 주입 및 뿌리 흡수) 실험을 통해 확인됩니다. , 나노제초제, 나노제초제 및 나노성장 촉진 화합물 [2, 9]. 그러나 어떤 경우에는 크기 배제가 높아 식물의 성장기에 긍정적인 영향과 부정적인 영향을 미치는 특정 통과 및 농도를 제한하기 어렵습니다(그림 1).
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나노입자 수송의 도식적 설명과 작물에서 이들의 상호작용
다중벽 탄소 나노튜브[5, 14], 금속 기반 나노복합체[15], 은이 곰팡이 발아를 억제[16] 등을 포함하여 농업에서 스마트 나노물질을 활용한 많은 성공적인 사례가 최근에 보고되었습니다. 이 새로운 나노 제형은 측면 효과를 확인하기 위해 단독으로 이용될 수 있는 토양-식물 복합체에 들어가는 생리학을 미세 조정할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다[17].
나노복합체를 주성분으로 하는 스마트 농약 전달 시스템을 포함하는 나노입자 기반 제품(NMs)은 지속적으로 개발되고 있습니다. 나노 비료, 나노 농약 및 나노 제초제의 개선된 작업 설계, 상업화 규제 및 위험 평가를 통해 나노농약의 실질적인 이점을 달성하기 위해서는 여전히 많은 집중적인 연구가 필요합니다[18, 19]. 더위, 가뭄, 염분 및 기타 농업 시스템의 해결되지 않은 문제를 견딜 수 있는 새로운 작물 품종은 전 세계적으로 주요 재배 관행의 전체 스펙트럼을 방해합니다. 또한, 자연 환경에서 NMs의 구현은 화학 물질 기반 위험 수준을 감소시킬 것으로 예상됩니다[12]. 우리는 농업에 적용하면 지속 가능한 농업 시스템과 화학 기반 농업 시스템 간의 격차를 좁힐 것이라고 확신합니다. 이 외에도 물과 토양 오염을 해결하여 친환경적으로 전 세계적으로 식량 생산과 품질을 향상시킵니다[20]. 따라서 실제로 그들은 새로운 NM 기반 제품 개발에 관한 새로운 길을 제공할 수 있습니다[14]. 기존의 농약은 활성 성분(AI)의 비선택적 및 흡착 속도와 관련하여 많은 단점을 제공했습니다.
99.9% 이상의 농약이 목표 장소에 전달되지 않아 토양, 수질, 공기의 건강에 유해한 영향을 미치고 병원성 내성을 강화하고 생물다양성 손실을 초래하는 것으로 보고되었습니다[12, 21, 22]. 전반적으로, 우리는 나노물질 또는 나노복합체가 농업 혁신, 식품 시스템, 지속 가능한 작물 보호 및 생산을 업그레이드하고 발전시키는 효율적인 솔루션을 제공한다는 사실에 대한 현재 정보를 강조하는 것을 목표로 했습니다. 또한, 제어 방출 시스템에 대한 정보, 토양 및 미생물군집과의 상호 작용에 대한 역할, 나노농약, 나노제초제, 나노비료로서의 나노복합체의 유망한 역할 및 농화학적 활성의 제한에 대한 정보도 현재 검토에서 논의됩니다.
기존의 화학 물질 적용 접근 방식에 비해 몇 가지 장점으로 인해 많은 연구자들은 환경 오염을 줄이기 위한 대체물을 제공하기 위해 제어 방출 시스템 모델[15, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29]을 제시했습니다. 제어 방출(CR)을 통해 원하는 시간 간격 동안 토양과 식물에서 AI를 보다 적극적으로 효율적으로 전달할 수 있으므로 사용되는 농약, 에너지, 인력 또는 응용 프로그램 도구를 작동하는 데 중요한 기타 자원의 양이 감소합니다. 뿐만 아니라 그들의 응용 프로그램을 다루는 인간에 대한 안전성 향상 [26, 29,30,31,32]. 또한, CR은 식물 독성 감소, 휘발, 침출, 표류, 부적절한 취급 및 토양 분해로 인한 농약 손실 감소를 포함하여 기존 방법에 비해 많은 이점을 보여주고 제어된 전달은 식물의 적절한 농도와 일치하여 증발 형태로 예측할 수 없는 손실을 방지합니다. , 침출 및 날씨 ( 그림 2) [16, 33].
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나노입자 전달 시스템의 종류
종합적인 특성화는 스마트 나노로드 농약의 효율성과 거동을 예측하거나 설명하기 위한 중요한 전제 조건입니다. 특히 AI의 보유, 거동, 조성 및 위상, 제타 전위, 고분자 나노운반체의 내부 구조, 입자 환경 조건에서의 방출은 중요한 특성으로 요약됩니다[30, 34,35,36]. 나노운반체로부터 AI에 대한 로딩 및 방출 속도는 그 효능을 예측하거나 평가하는 데 중심적인 역할을 합니다. 이는 고분자 매트릭스 내에 남아 있는 성분 농도와 방출된 성분의 양으로 평가할 수 있습니다[37, 38]. 해제 메커니즘은 다음과 같은 다양한 모드를 통해 달성할 수 있습니다.
농도 구배 현상(또는 fickian 확산)에서, 관개 또는 강우 상황에서도 농축 또는 고체 제형을 사용하여 나노운반체를 희석할 때 방출이 높은 비율로 발생합니다. 폴리락트산(PLA)이 로딩된 메타자클로르에서 관찰되는 AI의 확산이 일어나는 매질 내에서 나노입자 크기를 증가시키거나 매체 내 거리를 증가시켜 확산을 늦출 수 있다[32, 39, 40]. 유사하게, 고분자 가교 전후에 메토밀-로딩된 키토산(azidobenzaldehyde-carboxymethyl) 살충제에서 알 수 있듯이 고분자 매트릭스를 통한 비틀림을 증가시키거나 다공성을 감소시켜 확산을 지연시키는 효율적인 방법으로 향상된 가교가 제안되었습니다[40, 41,42,43].
AI가 초기에 다량으로 표적 적용에 적합하지 않은 경우 바람직하지 않게 방출되는 가장 일반적으로 신속한 방출 방법. 현상은 NP의 표면 근처 또는 표면에 존재하는 AI의 농도를 향상시키는 것으로 나타났으며 이는 상당한 폭발 방출을 나타냅니다. 예를 들어, PLA가 로딩된 메타자클로르(제초제) 나노캡슐 또는 표면 코팅은 나노구에 대해 자주 언급되는 초기 급속 폭발을 억제하기 위해 권장되었습니다[35].
나노 입자 방출은 물, 빛 노출, 온도, pH, 특정 자극 및 효소 활동에 의한 가수분해에 의해 달성될 수 있는 물리적, 화학적 및 생물학적 분해에 의해 유발되거나 가속화될 수 있습니다. 예를 들어, PLGA(Poly lactic co-glycolic acid) NP는 물에 대한 표면적-부피 비율을 향상시키면서 가수분해 분해가 증가하고 확산 속도는 적절한 나노캐리어로 미세 조정될 수 있습니다[44]. 또한, PLGA-NPs에 포함된 mPEG(methoxy 폴리에틸렌 글리콜)는 가수분해 분해 유형에서 향상된 친수성 및 궁극적으로 가수분해에 대한 접근성을 통해 NP의 분해 속도를 증가시킵니다. 효소적 분해에서 포스파타제, 글리코시다제 및 프로테아제의 활성에 의해 유발되는 사건 즉, PCL(폴리(ε-카프로락톤) 분해는 리파제 활성의 활성으로 향상됨[44] 유사하게, γ-PGA(폴리(γ-글루타민) 산) γ-GTP(γ-glutamyl transpeptidase)에 의해 매개되는 분해는 빠른 분해를 일으키는 가장 일반적인 효소로 간주됩니다.[38] 또 다른 연구에서 제인 나노입자는 콜라게나제보다 트립신 효소 [37].
어떤 경우에는 미셀과 같은 감광성 고분자를 사용하여 자극-반응 방출을 관찰할 수 있으며 UV(자외선) 불안정한 코어-쉘 NP는 PEG로 생성되고 니트로벤질은 카르복시메틸 키토산으로 생성됩니다. 따라서 자극 기반 나노복합체는 표적이나 인접 환경에서 생성된 자극에 지능적으로 반응하여 결국 AI 방출을 유발하여 해충을 효과적으로 조절할 수 있습니다[45, 46]. 그러나 일부 NP의 물리적 안정성은 폴리머가 약염기성 또는 산성일 때 pH에 의해 변경되어 정전기 및 전하가 pH에서 신뢰할 수 있을 것입니다[40, 41, 47]. 예를 들어, 카르복시메틸 셀룰로오스와 깃털 케라틴에는 아베르멕틴이 들어 있습니다. 확산 속도는 낮은 pH(Fickian 수송)와 높은 pH(non-Fickian)에서 더 빠른 것으로 관찰되었습니다[46].
농약에는 살충제, 제초제, 살균제, 살균제, 살선충제, 해충, 잡초, 병원성 균류, 박테리아, 선충류 및 설치류를 표적으로 삼는 데 사용되는 살충제가 포함됩니다(그림 3)[48,49,50]. 전 세계적으로 제초제 시장은 확장되고 있으며 2016-2022년 예상 기간 동안 6.25%의 CAGR(복합 연간 성장률)로 272억 1,500만 달러에서 391억 5,000만 달러 사이에 있을 것으로 추정됩니다. 이 외에도, 세계 살충제 시장은 2016년과 2021년 사이에 5.15%의 CAGR로 추정되어 2021년까지 705억 7000만 달러에 도달할 것으로 예상되었습니다. 이 외에도 캡슐형 살충제의 세계 시장은 2025년까지 예상대로 미화 8억 달러의 도달 기준으로 기하급수적으로 성장하고 이익이 증가할 것으로 예상됩니다. 2019–2025년 임기 동안 11.8% CAGR[18, 19, 48, 49].
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지속 가능한 농업에서 식물 성장, 병원체 관리 및 영양소 흡수 조절을 위한 다양한 나노입자의 적용
무기 화학 물질로 대표되는 계열은 제초제를 나타내는 트리아진, 페녹시 및 벤조산 클로로아세트아닐리드, 페닐피롤, 벤즈이미다졸, 디티오카르바메이트 및 살균제용 니트릴, 카바메이트, 유기인산염, 살충제와 관련된 유기염소입니다. 나노제형을 사용한 스마트 나노농약은 내구성, 유효성, 습윤성, 분산성, 독성 감소, 토양 및 환경에서 우수한 생분해성, 기존 화학물질에 비해 잔류물이 가장 적은 광생성 특성 등 다양한 이점을 제공해야 합니다. [51,52,53 ]. 과거에 나노농약이 토양-식물 영양 순환에 영향을 미치는 중요한 역할과 오염 범위에 접근하기 위해 광범위한 연구가 수행되었습니다[19].
통합 해충 관리(IPM)에서 나노화학 물질의 잠재적인 유용성은 최소한 약물 농도와 주변 환경과의 살충제 상호 작용에 대한 능숙한 모니터링을 통해 활성이 증가된 AI의 표적 전달에 달려 있습니다. 열악한 조건에서 화학적 안정성은 유출 위험 없이 향상된 분산 범위, 습윤성 및 살충제 보호성을 갖는 효율적인 나노캐리어에 의해 달성될 수 있습니다[54,55,56,57]. 살충 나노조성물의 다른 주목할만한 특성은 성공적인 전달 후 열 안정성, 넓은 표면적, 증가된 표적 친화성 및 생분해성 특성에서 관찰될 수 있습니다. 이러한 전달 시스템은 단일 목표 또는 다중 조합에 대해 규제될 수 있습니다. 공간적으로 표적 방출, 시간 제어 방출, 성공적인 표적에서 생물학적 장벽을 극복하기 위한 원격 또는 자가 조절 방출[21, 58,59,60]. 그러나 나노캡슐화 또는 나노캐리어의 효능은 (1) 표적에서 방출되기 전에 담체에서 AI의 사전 분해를 방지하는 것 (2) 침투를 개선하고 표적 부위 내에서 AI의 용해도를 용이하게 하는 것 (3) 모니터링 또는 조절하기 위한 것입니다. 원하는 부위의 AI 분해[61, 62].
Kremer et al.에 따르면 별개의 분자 역학을 나타내는 살충제와 NP 사이의 흡착 상호 작용. 이러한 상호 작용은 생리학적 형태, 결합 능력, 항산화 시스템 및 식물에서 살충제의 수송성을 통해 흡착 부위에 긍정적인 영향을 미칠 것입니다[64]. Arabidopsis thaliana에서 , 제초제의 존재가 감소하거나 Ag + 에 영향을 미치는 은 NP와 Diclofop-methyl(발현 후 제초제) 사이의 길항 효과 실버 NP에서. 더욱이, 선택되지 않은 유기체에 대한 독성을 피하고 오염 위험을 좁히려면 살충제 농도의 감소가 필수적입니다[65,66,67]. 나노에멀젼, 나노현탁액 및 나노캡슐화와 같은 살충제의 여러 나노조성물이 개발되었습니다. 이러한 나노 물질은 자기 방출, 초음파 방출, pH 방출, 열 방출, 수분 방출, DNA 기반 방출, 특정 방출, 신속 및 느린 방출을 포함한 여러 방식으로 AI의 조절 방출을 유지하기 위해 특별히 준비됩니다[19].
어떤 경우에는 중공 실리카 나노입자의 나노입자 전달이 UV 방사선으로부터 아베르멕틴을 방지하고 나노농약에 광안정성을 제공하여 표적 유기체에 장기적인 영향을 미치는 데 사용됩니다. 여러 NP는 (1) 지질 나노 물질 기반 캡슐화를 포함한 다양한 형태의 캡슐화를 사용했습니다. (2) 금속-유기 프레임워크 기반 캡슐화. (3) 폴리머 기반 6 캡슐화. (4) 점토 나노물질 기반 캡슐화. (4) 더 친환경적인 캡슐화 [9, 42, 43, 45, 47, 68,69,70].
식물 보호 외에도 이러한 스마트 NP는 생리적 과정을 조절하는 데 광범위하게 사용됩니다. 예:SiO2 NP(이산화규소 NP)는 Lycopersicon esculentum의 종자 발아율을 높입니다. [71, 72], 키토산-폴리메타크릴-NPK는 상상(Phaseolus vulgaris)에서 바이오매스, 영양소 흡수 및 항산화 효소를 증가시킵니다. [73, 74], Au-NPs(금 NPs)는 Zea mays의 종자 발아, 묘목 성장, 효소 활성 및 영양소 흡수를 촉진합니다. [75, 76], SiO2 -NP는 NPK의 흡수를 개선하고 Hyssopus officinalis의 효소 활성 및 종자 발아율을 증가시킵니다. 및 Z. 메이즈 [77,78,79], 키토산-CuNPs(구리 NPs)는 종자 발아, α-아밀라아제의 활성화, 프로테아제 및 Z의 다양한 항산화 효소의 활성을 향상시킵니다. 메이즈 [2, 80, 81], 키토산-ZnNP(아연 NP)는 Triticum durum에서 아연 함량과 방어 효소의 축적을 증가시킵니다. [82, 83], 키토산-γ-폴리글루타민산-지베렐린산 나노입자는 종자 발아, 뿌리 발달, 잎 면적, 호르몬 효율, 세포외 효소 및 영양소 효율을 촉진한다 [83, 84], 키토산-폴리메타크릴산-NPK 나노입자는 단백질 함량을 촉진한다 및 영양소 섭취 [74, 85], ZnO-NPs(산화아연 NPs)는 카탈라아제(60.7%), 슈퍼옥사이드 디스뮤타아제(22.8%) 및 영양소 획득의 활성을 증가시킵니다[86, 87], CeO2 -NP(산화세륨 NP)는 Spinacia oleracea의 종자 발아 및 활력, 효소 활성 및 영양소 흡수를 향상시킵니다. 및 Z. 메이즈 [88,89,90,91], AuNP는 Brassica juncea의 엽록소 함량과 항산화 효소 활성을 증가시킵니다. [92] 및 TiO2 나노입자(산화티타늄 나노입자)는 S의 엽록소 함량, 영양소 흡수, Rubisco의 활성 및 항산화 효소를 향상시킵니다. 올레라시아 및 Cicerietinum [89, 93] (표 1).
캡슐화된 NP의 추세와 수요가 기하급수적으로 증가함에 따라 관리에 대한 규제 압력도 동시에 강화되었습니다. 캡슐화된 살충제는 2017년까지 총 살충제 수익의 42% 이상을 공유합니다[60, 94, 95]. 최근 2019년 살충제 매뉴얼 온라인 분류 캡슐화된 살충제는 상업적 수준에서 펜디메탈린, 아세토클로르, 디클로베닐, 테플루트린, 에토펜프록스, 클로르피리포스, 카보설판, 푸라티오카브와 같은 위험한 독성 AI를 포함합니다[19]. AI의 독성 수준은 캡슐화 물질에 의존할 뿐만 아니라 생체 조건에서 AI에 노출되는 표적 종의 역학을 조정하는 데 도움이 됩니다[21, 25, 96]. 스티렌과 메틸메타크릴레이트를 캡슐화 벽 재료로 사용하면 살선충 활성이 증가하여 밀녹병을 유발하는 병원균인 Puccinia reconditea의 성장을 억제했습니다. . 유사하게, 우레아-포름알데히드 및 폴리요아 수지 벽이 기공 독성, 접촉 독성, phoxim 부하 마이크로캡슐 효능 및 광분해 특성에 미치는 영향은 Zhang et al. [97]. 또 다른 연구에서 이미다클로로프리드의 직접적인 적용을 선호하는 알긴산 나트륨 이미다클로로프리드 캡슐화의 개선된 해충 효율과 불량한 세포독성이 관찰되었습니다[68].
또 다른 연구는 자유형 피클로포름과 비교하여 실리카겔 캡슐화로 토양 미생물에 대한 피클로람 독성의 감소를 보여줍니다. 선택되지 않은 유기체에 대한 실리카 나노입자의 생체이용률은 실리카 껍질의 벽 특성을 조정하여 향상될 수 있습니다[98]. 연구에서 Jacques et al. [99]는 선충류, Caenorhabditis elegans에 대한 캡슐화된 고분자 및 지질 나노조성물의 아트라진 독성을 보고했습니다. , 그러나 낮은 독성에 기인할 수 있는 트리폴리포스페이트/키토산 기반 캡슐화에서는 비교적 독성이 관찰되지 않았습니다. 더욱이, 오일 캡슐화된 PCL 님 유래 나노 캡슐화는 최대 300일 노출 후 옥수수의 광합성 능력인 기공 전도도의 역효과를 나타내지 않았습니다. 이러한 발견은 AI의 벽 재료/캡슐화 및 물리화학적 특성과 그 구성 및 적용 부위의 신중한 선택을 시사합니다[19, 100].
Si-NP(실리콘 NP)는 저장된 딱정벌레 Callosobruchus maculatus의 침입을 효과적으로 보호하는 것으로 보고되었습니다. Vigna unguiculata, V. mungo, V. radiate, Macrotyloma uniflorum, C. arietinum, 및 카야누스 카잔 [101]. 우수한 성능에도 불구하고 나노농약은 상용화 및 안정성이 좋지 않습니다. pH, 온도, 습도, UV 방사선은 AI 가용성에 영향을 미치고 물리화학적 특성에 영향을 미칩니다. 이러한 양 외에도 나노농약을 사용하면서 AI의 품질, 엄격한 법률, 고가 및 분해 기간이 문제로 대두되고 있다[19, 54, 79].
나노운반체 적용을 넘어서, 작물 보호를 위한 AI로서의 나노물질은 연구의 주요 측면입니다. 나노살진균제의 광범위한 항진균 특성은 살충제로서의 효율성을 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 구리, 은, 아연 나노입자는 예리한 항균 활성과 무독성으로 병원성 내성에 대한 화학적 AI의 단점을 해결한다[19]. 더욱이, 키토산 기반 나노입자(Ch-NPs)는 효과적인 항진균 활성을 보여주고 지난 10년 동안 많은 연구자들이 보고한 성장을 제한합니다. 예를 들어, Alternaria alternata, Macrophomina phaseolina에 대한 Ch-NP , 리조토니아 솔라니 [102], Pyricularia grisea, Alternaria solani , 푸사리움 옥시스포룸 [102, 103], 피리쿨라리아 그리세아, Fusarium solani에 대한 구리-키토산 NP [104], Cu-키토산 NPs-에 대한 R. 솔라니 및 공막 rolfsii [105], 키토산-사포닌 NPs [102], 올레오일-키토산 NPs 대 Verticillium dahaliae [106], Fusarium verticillioides에 대한 살리실산 부하 키토산 NP [107], R에 대한 Ag-키토산 NPs. 솔라니, Aspergillus flavus 및 A. 대체 [108], Phomopsis asparagi에 대한 실리카-키토산 나노입자 [109] 키토산 고추 나무(Schinus molle ) Aspergillus parasiticus에 대한 에센셜 오일(CS-EO) NP [110], Monilinia laxa에 대한 키토산 베마이트 알루미나 나노복합체 필름 및 백리향 오일 [111] Neoscytalidium dimidiatum에 대한 살균제 zineb(Zb) 및 키토산-Ag NP [112], Aspergillus niger, A. flavus, A. parasiticus에 대한 키토산-백리향-오레가노, 백리향-차나무 및 백리향-페퍼민트 EO 혼합물 , 및 Penicillium chrysogenum, [113], Botrytis cinerea에 대한 키토산-티몰 NPs [39], 키토산-심보포곤 마티니 Fusarium graminearum에 대한 에센셜 오일 [114].
기존 농약과 비교하여 나노입자는 0.43 및 0.75 mg/플레이트 농도의 Ag 도핑된 중공 티타늄 산화물(TiO2)의 미세한 농도에서도 작물 보호에 매우 효과적인 것으로 확인되었습니다. ) Venturia inaequalis와 같은 감자 병원체에 대한 나노제형 및 F. 솔라니 (표 2). 또한, 최근 몇 년 동안 NP의 성공적인 몇 가지 예가 비생물적 스트레스 내성에 대해 광범위하게 연구되었습니다[116,117,118]. 가뭄 내성에 대처하기 위해 TiO2와 같은 NP의 적용에 대해 지난 수십 년 동안 여러 보고서가 발표되었습니다. Linum usitatissimum 애플리케이션 색소 침착을 높이고 Malondialdehyde(MDA)와 과산화수소(H2)의 활성 감소를 통해 O2 ) [119], ZnO는 Glycine max에서 효과적인 종자 발아를 촉진합니다. [120] CuNP는 Z에서 착색, 바이오매스 및 곡물 수율을 개선합니다. 메이즈 [121]. 염분 스트레스의 경우 종자 침지, 영양 용액 및 종자 프라이밍 방법이 G의 평가에 사용됩니다. max, S. lycopersicum 및 Gossypium hirsutum 각각 [122,123,124].
이 응용 프로그램은 엽록소 함량, 바이오매스 수, 가용성 당 함량, 종자 발아를 향상시켜 스트레스 내성을 향상시킵니다[125,126,127]. Shoemaker[128]에 따르면 Triticum aestivum에서 AgNP(은색 NP) 적용 SeNPs(셀레늄 NPs)의 엽면 적용은 수수 2색의 항산화 효소 활성과 틸라코이드 막 안정성을 향상시키는 반면 묘목 성장과 잎 면적을 증가시킵니다. 열 스트레스 [129] (표 3).
이러한 NP는 여러 잡초 종의 생리학적 과정과 성장 단계를 억제합니다. 예를 들어, Ch-NP는 Bidens pilosa의 발아 및 성장 단계를 지연시킵니다. [130, 131] NP 아트라진은 Amaranthus viridus에서 광계 II 활성을 방해합니다. [132], Fe3 O4 NPs(산화철 NPs) + 정제 규조암 + 글리포세이트는 Cynodon dactylon의 pH 수준을 감소시킵니다. [133], 0가 Fe NPs(Iron NPs)는 Lolium perenne의 발아를 지연시킵니다. [32]. metribuzan(상업용 제초제)의 효능은 Melilotus album, T. aestivum, Agrostis stolonifera,를 포함한 잡초 개체군의 성장을 유지하기 위해 NP를 사용하여 향상되었습니다. 및 Setaria macrocheata [19].
아트라진이 장착된 나노운반체는 기공 부위, Hydathodes를 관통하고 혈관 조직으로의 직접적인 진입을 보장하는 데 사용됩니다. 그것은 표적화, 세포 흡수를 보장하고 NP의 특정 특성으로 인한 세포 내 인신 매매를 극복합니다. (1) 상호 작용 친화력. (2) 형태와 크기의 기계적 효과. (3) 촉매 효과. (4) 표면 전하/소수성. Fraceto et al. [19] Brassica의 기존 스프레이 시스템보다 삼인산/키토산 나노캐리어 적용을 선호하는 비표적 식물에서 파라콰트의 감소된 독성 수준 설명 특. 마찬가지로 B. 필로사 및 C. 독틸론 캡슐화된 글리포세이트 자기 나노운반체를 사용하여 묘목의 폐사율을 향상시켰다[19, 131]. 나노캡슐화는 저용량의 제초제를 사용하며 농경지뿐만 아니라 표적 종에서 제초제의 장기적 잔류 효과를 효과적으로 감소시킬 수 있습니다. 결론적으로, 나노제초제는 식물 조직에서 AI의 전달을 향상시킬 수 있고 환경 독성의 가능성을 비교적 감소시킬 수 있습니다[60, 94, 95].
NP는 수많은 경험 변환, 토양 미생물총에서의 용해 응집, 유기물 함량, pH, 2가 양이온 및 점토(NP 보유에 가장 중요)에 대한 분해 운명을 매개하는 주요 조절자와의 흡착에 직면합니다. Asadishad et al.에 따르면 AgNPs의 독성은 pH 함량과 점토 함량이 증가함에 따라 감소하는 암모니아 산화 박테리아에 대한 미생물 기질 의존적 호흡에 달려 있습니다. 낮은 pH는 AgNPs의 용해를 유발하는 반면 높은 토양 pH 값은 음전하 사이트 수를 증가시키고 Ag 수착을 증가시킵니다[19]. 한 연구에서 낮은 점토 함량과 거친 토양 조직을 가진 유기물에 대한 CuONP(산화구리 나노입자)에 대해 유사한 결과가 보고되었습니다. 이러한 산성 토양은 자유 이온 방출과 함께 Ag 및 CuNPs의 용해를 선호하며, 이는 NPs의 단기 영향을 높일 수 있습니다[9]. Zhai et al. [135] 또한 이온성 살충제의 나노제형은 더 일반적으로 부분 이온 방출과 관련된 다양한 영향을 나타낼 수 있다고 결론지었습니다. Other authors noted the difference and similarities of ionic and nanoforms of AgNPs with variation in antibacterial activity or the effect on a soil-borne microbial community and their response in in-vitro conditions [19, 136, 137].
In long-term studies, Guilger et al. [66], ensuring routes predictably depend on biogenic NPs, that show the least effect on human cells and denitrification process but are likely to show more impact on plant fungus relationship. At the microscale level, denitrification is a prime microbial activity that gets affected by AgNPs by modulating hydric conditions, pH and creating a devoid zone for fundamental accessories (carbon, nitrate, and oxygen). However, by high soil redox potential value and sandy texture soil favored denitrification, whereas textured clay soils provided offers low redox potential and lies in range for biological transformation [19]. Such impact is correlated by the affinity of AgNPs to denitrification and physicochemical properties ex:surface charge, coating, size, sedimentation rate, dispersibility, and solubility [138]. The biogenic AgNPs are derived from the green process and have no effect on N-cycle reported by Kumar et al. [67]. While the effect of nanocapsules, nanogels, nanometal, and nonmetal particles on soil microbiota as non-selected microbes has been documented. Li et al. [139] evidenced the negative impact of nanopesticide CM-β-CD-MNPs-Diuron complex (carboxymethyl-hdroxypropyl-β-cyclodextrin magnetic NPs) on the activity of the urease enzyme.
The Diuron NPs complex causes declined in the population status of soil bacteria except for actinobacteria with an increase in reactive oxygen species. All these indicate toxicity of CM-β-CD-MNPs-Diuron exert stress on soil microbes and did not reduce even by using Diuron nanoencapsulation [12, 19]. The bionanopesticides treatment was confirmed to improve soil microbiome including weight gain and survival percentages in beneficial earthworm Eudrilus eugeniae . It also shows excellent larvicidal, antifeedant, and pupicidal activities against Helicoverpa armigera and Spodoptera 특. at 100 ppm nanoformulation dose [19, 50, 55].
The nanopesticides are also showing some adverse effects on crop plants directly or indirectly. The most favorable and used AgNPs and their complex nanoparticle have been attributed to their diverse range in each class of pesticides due to low toxicity but still many reported published that explained the drawback of these smart nanoagrochemicals [61, 140, 141] (Table 4). For example, In Vicia faba , the AgNPs internalization in leaves can abrupt the stomatal conductance CO2 assimilation rate and photosystem II [142]. Furthermore, the binding of AgNPs attaches with Chlorophyll forming a hybrid, that excites electrons 10 times due to fast electron–hole separation and plasmon resonance effect. In another study, AgNPs and AgNPs-graphene oxide GO (Ag@dsDNA GO) effect also observed in L. esculentum exhibit antibacterial activity toward Xanthomonas perforans [143]. Various reports were submitted in recent years such as ZnO NPs reduced root growth in Allium cepa [89], Ch-NPs + paraquat biomass reduction, lipid peroxidation, genotoxicity and leaf necrosis in Brassica sp. [144], SiO2NPs affect biomass, germination, protein content, photosynthetic pigment in Taraxacum officinale and Amaranthus retroflexus [76], AgNPs cause lipid peroxidation, leaf damages and alters catalase activity in G. max [145], NPP ATZ + AMZ Raphanus raphanistrum suppresses plant growth [146].
Besides these, NPs show an adverse impact on plant physiology, soil microbiota, and declined enzymatic population. For instance; Al2 O3 (Aluminium oxide) reduces bacterial growth and reduces seedling growth [147, 148], C60 fullerene restricts bacterial growth up to 20–30% [149], ZnNPs decrease enzymatic activities in soil and reduces transpiration rate and photosynthetic rate in Z. mays [150]. Conclusively, NPs are very reactive and variable in nature, so always a concerning risk for workers who may come across during their application.
As with documentation, the lack of finding on behavior and fate in the environment of nanoagrochemicals and their impact on faunal diversity may put challenges on their incorporation in agriculture. Instead of the benefits of using nanoencapsulation systems, their implementation requires caution, since it is mandatory to calculate their behavior in the environment and non-targeted communities to develop safer product development policies [54]. Although, it needs to develop smart nanoagrochemicals that are focused on biological nanoformulation and that offer a simple handling process, low cost, more AIs persistence with a sharp release system, and high degradation rate without leaving any residue [148]. Besides these, poor demonstrations at field conditions, cost-effectiveness, consumer acceptance, and feasibility of technology are major constraints on commercial implementation [152].
The limited management guidelines, inconsistence legislative framework, and regulatory models, and lack of public awareness campaign creates inconsistent marketing of such incipient nanoagricultural products. The national and international arrangement that fits at ground level is the only way that supports Nanotechnological development [49]. However, the community seeking approval for nanoagrochemicals must demonstrate the precautionary uses of these new products by proposing unjustifiable safety risks to the user and environment. Thus regulatory guidelines and frameworks are becoming primarily important to resolve the emerging issues of nanoagrochemicals [153]. Moreover, the need for collaboration, discussion, and information exchange forums among countries to ensure threat mitigating strategies should be considered as a milestone in nanoagrochemicals. So consolidates efforts of governmental organizations, scientists, and social communities are needed to preventing the adverse effect of nanoagrochemicals on humans and the environment [59].
In this scenario, the toxicity measuring instrumental setup is used in the characterization of toxicity type and their level to access the potential intrinsic hazards [59]. Currently, the main focus of experimental investigation on nanomaterial translocation in biotic/abiotic systems, monitoring and revealing interaction Among nanotoxicity and nanomaterial in the physical and chemical environment [48, 54, 151,152,153].
Due to high reactivity, the interaction of nanocomponents with organic and inorganic components in the soil as well as for plants is undetermined and unregulated. The changing in physiochemical properties and transformation behavior after implementation creates chances of heavy metal toxicity. Biotransformation was demonstrated in Cucumis sativa, using CeO2 bioavailability cause 20% to Ce(III) in the shoots and 15% of Ce(IV) being reduced to Ce(III) in the roots [154]. In another study, AgNPs were oxidized and forming the Ag-glutathione complex in the lettuce plant [154].
Because of variability in binding, the accumulation of NPs causes toxicity in plants, humans, and animals. In soybean, CeO2 application shut down the Nitrogen fixation cycles and causes toxicity. However, ROS production, growth inhibition, cellular toxicity, and other phytotoxic effect were reported in Amaranthus tricolor . The application of C60 fullerene enhanced DDT accumulation in soybean, tomato, and zucchini plants [155].
Most agrochemicals are not fully utilized by plants or seep off into the soil, air and water unintendedly causes toxic ill effects and accumulated through biomagnification. Moreover, global pesticide rise threatened biodiversity and led to the adverse effect on human intelligence quotient and fecundity in recent years. Still, it’s also enhancement the resistance in weeds and plant pathogen against agrochemical turn them to super pathogen/weed. New doses after the changing in strategies of pathogens or new strain resurgence enhance cost-effectiveness and put the question on existing regulatory recommendations. [14, 106, 156,157,158].
The chemicals persist in soil particles, agricultural residues, irrigation water and migrates into the different layers of soils turns into a serious threat to the ecosystem. Leaching of synthetic pesticides, abrupting soil-pest, soil-microbe activities, algal blooms formation, eutrophication, altering soil physiochemical properties [159], and salt toxicity via creating salt buildup in soil [160].
Low-cost oxides of Mg, Al, Fe, Ti, Ce, and Zn (Magnesium, Aluminium, Iron, Titanium, Cerium, Zinc) are ideal candidates and provides greater affinity, a large number of active sites, minimum intraparticle diffusion distance, and maximum specific surface area [160]. NP implementation help to successfully chase down the inorganic residues of various chemicals such as permethrin, 2–4 Dichlorophenoxy acetic acid (2–4-D), Dichlorodiphenyltrichloroethane (DCPT), Diuron (Adsorption), Chlorpyrifos, Chloridazon, Methomyl (Photocatalysis) from the soil. Some nanocomposites are used for complete degradation of lethal agrochemicals for example silver- doped TiO2 and gold doped TiO2 , Zerovalent Fe (nZVI), endosulfan, TiO2 , nZVI for atrazine, Ag for chlorpyrifos, Pd–Mg, Ni–Fe bimetallic system, nZVI for DDT, nZVI, nitrogen-doped TiO2 , Fe–Pd (iron–palladium), Fe–S (Iron-sulfur) for Lindane [161] (Table 5).
Al-Barly et al. reported the slow release of nanocomposite fertilizers to depend upon phosphate and nitrogen content availability in soil [162]. TiO2 NPs derived from Moringa oleifera leaf extract are used to control the red palm weevil (Rhynchophorus ferrugineus) and exhibits antioxidant and larvicidal activities. In the case of Zanthoxylum rhoifolium , nano-encapsulated essential oil was reported to maintain the population of Bemisia tabaci [19, 163]. Nanopesticides derived from pyrethrum insecticides cause an impact on the population status of honey bees. Except for these studies, agrochemical degradation can also be accomplished using adsorption, membrane filtration, catalytic degradation, oxidation, and biological treatment. Since, adsorption using smart Nanosorbents also relies on environmental factors including pH, temperature, and competitive adsorbing molecules [19]. At low pH, the protonated charged active site of NPs disturbs the binding ability of positively charge agrochemical whereas, high temperature creates hinders the electrochemical interactions between active sites and agrochemicals due to elevated vibrate energy of active site of adsorbent and kinetic energy of agrochemicals [79]. Moreover, chitosan-coated and cross-linked chitosan-Ag NPs used as composite microbeads that incorporated into reverse osmosis filters help in the effective removal of atrazine content from the water. According to Aseri et al. [164] integration of membrane filters and magnetic NPs-based beads enhances microbial elimination and resonance activation of water, respectively.
Secondly, targeting a not selected species with possible adverse effect is a key issue emerging that put a loophole of criticism for these smart nanoagrochemicals. For example; 1–10 mg L −1 of Polyhydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate (PBHA) encapsulation for atrazine in lactuca sativa for 24 h reduced genotoxicity in plants [165], PCL atrazine nanocapsules ill effect on Daphnia similis and Pseudokirchneriella subcapitata, after exposure up to 24 h [166], Solid lipid NPs encapsulating simazine 0.025–0.25 mg mL −1 exhibits Caenorhabditis elegans Induction of mortality and decrease in the body length after exposure of 48 h [167]. The uncontrolled non-targeted release of AIs in plant cells causes lysosomal damage with increasing pH. After the cellular compartment, nanoagrochemicals may bind or channelization into cell organelles and causes damage to protein, pigments, and DNA [98].
The binding ability of nanocompositions with selected and non-selected binding helps to recognize its distribution, bioavailability, toxicity level, and exclusion from the plant cell. Several proteins acquire a wide range of functional and structural properties including ligand boding, metabolite production, catalysis, cellular and molecular reorganization [19]. The protein- nanopesticide complex can cause minor structural configuration and denaturation of proteins. Similarly, conformational changes and movement of the genomic DNA mediated through NPs also induced cytogenetic abnormalities. These nanopesticide toxicity are solely dependent upon the balance between key factors like biodegradability, concentration, and size of incorporated AIs. In Prochilodus lineatus 20 μg L −1 concentration using PCL nanocapsules containing atrazine up to 24–48 h declined toxicity, as they did not induce carbonic anhydrase activity, alterations in glycemia and antioxidant response [168], in Enchytraeus crypticus causes a decrease in hatching due to the delayed number of adults and juveniles [19, 158, 169].
No doubt, intervention of nanoagrochemicals, resolve many threats mitigation put forward by the implementation of agrochemical but still more validation is required to lowering the agroecological risks. The persistent use of novel monitoring applications always knocks down the door of improvement of sustainable crop production and protection without creating the threats of NPs as a new contaminant.
During the entire course of million years of evolution, the green plants had evolved without any interference from other eukaryotes. However, for the last fifty years, continuous human activities have introduced many contaminants in the environment that altered the ecological balance and raised the eye-brows of researchers towards combating the new pathovars and pathotypes. These thrusting biological stresses have severely damaged global crop production. Concerning, the environmental penalty of conventional agrochemicals at present, nanoformulations seem to be a potential applicant for plant protection. The use of controlled biodegradable polymers especially polyhydroxyalkanoates shows significant and attractive properties of biocompatibility, biosorption rate, low-cost synthesis, thermoplastic nature, and ease in biodegradation rate that have popular advantages conventional chemical delivery systems. However, sustainable and efficient utilization with promising target delivery and low toxic effects are prerequisites of commercial implementation. Although, the studies on the soil–plant microbiome and nanoscale characterization highlight the impact of chemical agrochemical on the environment.
The use of nanocoated AIs biopesticides is expected to surpass the challenges of chemical residual management gap and premature degradation of AIs. Instead, these, applying new nanocomponents along with existing chemicals should follow regular checks on resistance strategies of targeted organisms, new resistance pathways, and revolutionized pest strains. Although, smart agrochemicals or nanoagrochemicals resolve so many issues and gives an instant solution.
To ensure these, it is essential to develop more international and national risk assessment, management, and mitigating strategies. Beyond these challenges, social acceptance with reduced environmental cost chiefly soil deterioration, microbiome disruption, depleted water resources need keen monitoring. Ecologically, the continuum uses of agrochemical put the question on survival challenges result in more resistance races creating a vicious loop in which pesticides concentration help to revolutionizing the organism more toward superiority.
For this, alternative strategies with strong monitoring are required, together recommendations of IPM practices help to eliminate shortcomings in individual practices. Despite the advancement in studies on nanoformulation and plant response more extensions in genomic, proteomics, physiological, and metabolic studies help to understand the interaction in the mechanism.
Not applicable.
Nanoparticles
Nanomaterils-based products
Active ingreadents
Controlled release system
Controlled release
Poly lactic acid
Poly(lactic-co-glycolic acid)
Methoxy polyethylene glycol
Poly(ε-caprolactone
(Poly (γ-glutamic acid)
(γ-Glutamyl transpeptidase)
Ultraviolet
Polyethylene glycol
Compound annual growth rate
Integrated pest management
Silver
Silicon dioxide nanoparticles
Chitosan polymethacrylic nitrogen phosphorus potassium
Gold nanoparticles
Zinc oxide nanoparticles
Cerium dioxide nanoparticles
Titanium oxide nanoparticles
Spinacia oleracea
Silicon nanoparticles
Vigna mungo
Vigna radiate
Cicer arietinum
Chitosan nanoparticles
Chitosan essential oil
Malondialdehyde
Hydrogen peroxide
Photosystem II
Iron oxide nanoparticles
Iron nanoparticles
Triticum aestivum
Bidens pilosa
Cynodon dactylon
Silver nanoparticles
Carboxymethyl-hdroxypropyl-β-cyclodextrin magnetic nanoparticles diuron complex
Ag@dsDNA-graphene oxide
Lycopersicon esculentum
Zea mays
Cerium dioxide
Reactive oxygen species
Magnesium
Aluminium
Iron
Titanium
Cerium
Zinc
2-4 Dichlorophenoxy acetic acid
DDT- Dichlorodiphenyltrichloroethane
Zerovalent iron
Iron-palladium
Iron-Sulphur
Polyhydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate
Phaseolus vulgaris
Capsicum annum
Spinacia oleracea
Brassica juncea
Carbon nanotubes
Copper(II) phosphate
Xanthomonas perforans
Bipolaris sorokiniana
Xanthomonas alfalfa
Chironomus riparius
Balbiani ring protein gene
Gonadotrophin-releasing hormone gene
Drosophila melanogaster
Linum usitatissimum
Glycine max
Solid lipid nanoparticles
Gossypium hirusutum
Poly vinyl alcohol
Solanum lycopersicum
Sorghum bicolor
Polyvinyl chloride
Polystyrene nanoparticles
Oryza sativa
Stannic oxide
Hordeum vulgare
Allium cepa
Trifolium repens
Hordeum vulgare
Solanum tuberosum
Mesoporous silica nanoparticles
Cucumis sativus
Botrytis cinerea
나노물질
모든 대규모 및 소규모 산업을 대상으로 하는 액체 레벨 감지는 여전히 약간 어렵습니다. 하루에 서너 번 판독값을 기록하여 수동으로 감독하려면 많은 노력이 필요합니다. 게다가 판독값이 정확한지 아닌지 보장할 수 없습니다. 업계에서 직면한 모든 문제를 염두에 두고 IoT는 액체 수준을 식별하는 고급 개념을 제시했습니다. 또한 산업용 IoT의 시장 가치 2027년까지 2,634억 달러에 이를 것으로 예상되며, 이는 많은 산업 분야에서 액체 수준을 측정하는 스마트 솔루션을 수용하는 데 매우 영향력 있는 요소를 보유하고 있습니다. 산
제조 공장의 기술이 오작동하거나 수리가 필요한 경우 휴대전화로 경고가 전송되는 세상을 상상해 보십시오. 이 세상에서는 공장 내의 시스템이 한 제품을 다른 제품으로 빠르고 원활하게 제조할 수도 있습니다. 서로 다른 자동화 시스템이 서로 대화하고 효과적으로 조정합니다. 거의 미래 지향적인 것처럼 들리지만 이 기술은 이미 21st 현실이 되었습니다. 세기. IoT는 로봇과 같은 산업 환경에서 발견되는 기술과 결합하여 IIoT(산업용 사물 인터넷이라고도 함)를 생성합니다. 이 기술의 구현은 효율성과 반복성을 높이는 동시에 비용을 줄이는
