Les rendements moyens des cultures en Afrique sont systématiquement bien inférieurs aux attentes, et une raison importante est la prévalence de semences contrefaites dont les taux de germination sont bien inférieurs à ceux des semences authentiques. La Banque mondiale estime que jusqu’à la moitié de toutes les semences vendues dans certains pays africains sont fausses, ce qui pourrait contribuer à expliquer une production agricole bien inférieure à son potentiel.
Il y a eu de nombreuses tentatives pour empêcher cette contrefaçon grâce à des étiquettes de suivi, mais aucune ne s’est avérée efficace ; entre autres problèmes, ces étiquettes ont été vulnérables au piratage en raison de la nature déterministe de leurs systèmes de codage. Mais maintenant, une équipe de chercheurs du MIT a mis au point une sorte de minuscule étiquette biodégradable qui peut être appliquée directement sur les graines elles-mêmes, et qui fournit un code unique créé au hasard qui ne peut pas être dupliqué.
Le nouveau système, qui utilise de minuscules points de matériau à base de soie, contenant chacun une combinaison unique de différentes signatures chimiques, est décrit aujourd’hui dans la revue Avancées scientifiques dans un article du doyen de l’ingénierie du MIT, Anantha Chandrakasan, du professeur d’ingénierie civile et environnementale Benedetto Marelli, du postdoc Hui Sun et de l’étudiant diplômé Saurav Maji.
Le problème de la contrefaçon est énorme à l’échelle mondiale, soulignent les chercheurs, affectant tout, des médicaments aux produits de luxe, et de nombreux systèmes différents ont été développés pour tenter de lutter contre cela. Mais on a moins prêté attention au problème dans le domaine de l’agriculture, même si les conséquences peuvent être graves. En Afrique subsaharienne, par exemple, la Banque mondiale estime que les semences contrefaites sont un facteur important dans les rendements des cultures qui représentent en moyenne moins d’un cinquième du potentiel pour le maïs et moins d’un tiers pour le riz.
Marelli explique que la clé du nouveau système est la création d’un objet physique produit de manière aléatoire dont la composition exacte est pratiquement impossible à reproduire. Les étiquettes qu’ils créent « tirent parti du caractère aléatoire et de l’incertitude dans le processus d’application, pour générer des caractéristiques de signature uniques qui peuvent être lues et qui ne peuvent pas être reproduites », dit-il.
Ce à quoi ils ont affaire, ajoute Sun, « c’est le travail très ancien qui consiste à essayer, en gros, de ne pas se faire voler ses affaires. Et vous pouvez essayer autant que vous le pouvez, mais finalement quelqu’un est toujours assez intelligent pour comprendre comment faites-le, donc rien n’est vraiment incassable. Mais l’idée est qu’il est presque impossible, voire impossible, de le reproduire, ou cela demande tellement d’efforts que cela n’en vaut plus la peine.
L’idée d’un code « inclonable » a été développée à l’origine comme un moyen de protéger l’authenticité des puces informatiques, explique Chandrakasan, qui est professeur Vannevar Bush de génie électrique et d’informatique. « Dans les circuits intégrés, les transistors individuels ont des propriétés légèrement différentes, appelées variations de l’appareil », explique-t-il, « et vous pouvez ensuite utiliser cette variabilité et combiner cette variabilité avec des circuits de niveau supérieur pour créer un identifiant unique pour l’appareil. Et une fois que vous avez cela , vous pouvez alors utiliser cet ID unique dans le cadre d’un protocole de sécurité. Quelque chose comme la variabilité des transistors est difficile à reproduire d’un appareil à l’autre, c’est donc ce qui lui donne son caractère unique, par rapport au stockage d’un ID fixe particulier. Le concept est basé sur ce que l’on appelle des fonctions physiquement non clonables, ou PUF.
L’équipe a décidé d’essayer d’appliquer ce principe PUF au problème des fausses graines, et l’utilisation de protéines de soie était un choix naturel car le matériau est non seulement inoffensif pour l’environnement mais également classé par la Food and Drug Administration dans la catégorie « généralement reconnu comme sûr », il ne nécessite donc aucune approbation spéciale pour une utilisation sur les produits alimentaires.
« Vous pouvez l’enrober sur des graines », dit Maji, « et si vous synthétisez la soie d’une certaine manière, elle aura également des variations aléatoires naturelles. C’est donc l’idée, que chaque graine ou chaque sac pourrait avoir une signature unique. «
Le développement de solutions de systèmes sécurisés efficaces est depuis longtemps l’une des spécialités de Chandrakasan, tandis que Marelli a passé de nombreuses années à développer des systèmes pour appliquer des revêtements en soie sur une Crumpa de fruits, de légumes et de graines. Leur collaboration était donc naturelle pour développer un tel codage à base de soie. système vers une sécurité renforcée.
« Le défi était de savoir quel type de facteur de forme donner à la soie », explique Sun, « afin qu’elle puisse être fabriquée très facilement ». Ils ont développé une approche simple de moulage en goutte qui produit des étiquettes de moins d’un dixième de pouce de diamètre. Le deuxième défi consistait à développer « une manière de lire l’unicité, également à très haut débit et de manière simple ».
Pour les codes uniques à base de soie, dit Marelli, « nous avons finalement trouvé un moyen d’ajouter une couleur à ces microparticules afin qu’elles s’assemblent dans des structures aléatoires ». Les motifs uniques qui en résultent peuvent être lus non seulement par un spectrographe ou un microscope portable, mais même par une caméra de téléphone portable ordinaire avec un objectif macro. Cette image peut être traitée localement pour générer le code PUF puis envoyée dans le cloud et comparée à une base de données sécurisée pour garantir l’authenticité du produit. « C’est aléatoire, de sorte que les gens ne peuvent pas facilement le reproduire », explique Sun. « Les gens ne peuvent pas le prévoir sans le mesurer. »
Et le nombre de permutations possibles qui pourraient résulter de la façon dont ils mélangent quatre types de base de nanoparticules de soie colorées est astronomique. « Nous avons pu montrer qu’avec une quantité minimale de soie, nous avons pu générer 128 bits de sécurité aléatoires », explique Maji. « Cela donne donc lieu à 2 à la puissance 128 combinaisons possibles, ce qui est extrêmement difficile à déchiffrer étant donné les capacités de calcul des systèmes informatiques de pointe. »
Marelli dit que « pour nous, c’est un bon banc d’essai pour sortir des sentiers battus, et comment nous pouvons avoir une voie qui soit en quelque sorte plus démocratique ». Dans ce cas, cela signifie « quelque chose que vous pouvez littéralement lire avec votre téléphone, et vous pouvez fabriquer en coulant simplement une solution, sans utiliser de technique de fabrication avancée, sans aller dans une salle blanche ».
Des travaux supplémentaires seront nécessaires pour en faire un produit commercial pratique, dit Chandrakasan. « Il va falloir développer la lecture à grande échelle » via les smartphones. « Donc, c’est clairement une future opportunité. » Mais le principe montre maintenant une voie claire vers le jour où « un agriculteur pourrait au moins, peut-être pas toutes les graines, mais pourrait peut-être prendre quelques graines au hasard dans un lot particulier et les vérifier », dit-il.
La recherche a été partiellement financée par l’Office of Naval Research des États-Unis et la National Science Foundation, Analog Devices Inc., une bourse EECS Mathworks et une chaire de développement de carrière Paul M. Cook.
