Средняя урожайность сельскохозяйственных культур в Африке постоянно намного ниже ожидаемой, и одной из существенных причин этого является распространенность поддельных семян, всхожесть которых намного ниже, чем у настоящих. По оценкам Всемирного банка, до половины всех семян, продаваемых в некоторых африканских странах, являются поддельными, что может объяснять производство сельскохозяйственных культур, которое значительно ниже потенциального.

Было много попыток предотвратить эту подделку с помощью отслеживающих этикеток, но ни одна из них не оказалась эффективной; помимо прочих проблем, такие этикетки были уязвимы для взлома из-за детерминированного характера их систем кодирования. Но теперь группа исследователей Массачусетского технологического института разработала крошечную биоразлагаемую метку, которую можно наносить непосредственно на сами семена и которая обеспечивает уникальный случайно созданный код, который невозможно продублировать.

Новая система, в которой используются мельчайшие точки материала на основе шелка, каждая из которых содержит уникальную комбинацию различных химических сигнатур, описана сегодня в журнале Science Advances в статье декана инженерного факультета Массачусетского технологического института Ананты Чандракасана, профессора гражданского и экологического строительства Бенедетто Марелли, постдока Хуи Сун и аспиранта Саурава Маджи.

Исследователи отмечают, что проблема подделок является огромной в глобальном масштабе, затрагивая все - от лекарств до предметов роскоши, и для борьбы с ней было разработано множество различных систем. Однако в области сельского хозяйства этой проблеме уделяется меньше внимания, хотя последствия могут быть серьезными. Например, по оценкам Всемирного банка, в странах Африки к югу от Сахары контрафактные семена являются существенным фактором урожайности, которая в среднем составляет менее одной пятой от потенциальной для кукурузы и менее одной трети для риса.

Марелли объясняет, что ключевым моментом новой системы является создание произвольного физического объекта, точный состав которого практически невозможно скопировать. Создаваемые ими этикетки "используют случайность и неопределенность в процессе нанесения, чтобы создать уникальные особенности подписи, которые можно прочитать и которые невозможно воспроизвести", - говорит он.

Сун добавляет, что они имеют дело с "очень старой задачей - попытаться, по сути, не допустить кражи ваших вещей. И вы можете стараться сколько угодно, но в конце концов кто-то всегда оказывается достаточно умным, чтобы придумать, как это сделать, поэтому ничто не является действительно нерушимым. Но идея заключается в том, что воспроизвести его практически невозможно, если вообще возможно, или же для этого требуется столько усилий, что оно того уже не стоит".

Идея "неклонируемого" кода была первоначально разработана как способ защиты подлинности компьютерных чипов, объясняет Чандракасан, который является профессором электротехники и компьютерных наук имени Ванневара Буша. "В интегральных схемах отдельные транзисторы имеют немного разные свойства, называемые вариациями устройства, - объясняет он, - и вы можете использовать эту вариативность и объединить ее со схемами более высокого уровня, чтобы создать уникальный идентификатор устройства. А получив его, можно использовать этот уникальный идентификатор как часть протокола безопасности". Такое явление, как изменчивость транзисторов, трудно воспроизвести от устройства к устройству, и именно это придает ему уникальность, в отличие от хранения определенного фиксированного идентификатора". Концепция основана на так называемых физически неклонируемых функциях, или ФНФ.

Команда решила попробовать применить этот принцип PUF к проблеме поддельных семян, и использование протеинов шелка было естественным выбором, поскольку этот материал не только безвреден для окружающей среды, но и отнесен Управлением по контролю за продуктами и лекарствами к категории "общепризнанно безопасных", поэтому он не требует специального разрешения для использования в пищевых продуктах.

"Вы можете покрыть им семена, - говорит Маджи, - и если вы синтезируете шелк определенным образом, он также будет иметь естественные случайные вариации". В этом и заключается идея, что каждое семя или каждый пакет может иметь уникальную подпись".

Разработка эффективных безопасных системных решений давно является одной из специализаций Чандракасана, а компания Marelli уже много лет занимается разработкой систем нанесения шелковых покрытий на различные фрукты, овощи и семена, поэтому их сотрудничество было естественным для разработки такой системы кодирования на основе шелка для повышения безопасности.

"Проблема заключалась в том, какой форм-фактор придать шелку, - говорит Сун, - чтобы его можно было легко изготовить". Они разработали простой метод литья из капель, который позволяет получать метки диаметром менее одной десятой дюйма. Вторая задача заключалась в разработке "способа считывания уникальности, причем очень высокопроизводительным и простым способом".

По словам Марелли, для уникальных кодов на основе шелка "в конечном итоге мы нашли способ добавить цвет в эти микрочастицы, чтобы они собирались в случайные структуры". Полученные уникальные узоры можно считывать не только с помощью спектрографа или портативного микроскопа, но даже с помощью обычной камеры мобильного телефона с макрообъективом. Это изображение может быть обработано на месте для генерации PUF-кода, а затем отправлено в облако и сопоставлено с защищенной базой данных для обеспечения подлинности продукта. "Он случайный, поэтому люди не могут легко его воспроизвести", - говорит Сун. "Люди не могут предсказать его, не измерив его".

А количество возможных перестановок, которые могут возникнуть в результате смешивания четырех основных типов цветных наночастиц шелка, просто астрономическое. "Мы смогли показать, что с минимальным количеством шелка мы смогли сгенерировать 128 случайных битов безопасности", - говорит Маджи. "Таким образом, получается от 2 до целых 128 возможных комбинаций, которые чрезвычайно трудно взломать, учитывая вычислительные возможности самых современных вычислительных систем".

Марелли говорит, что "для нас это хороший испытательный полигон для того, чтобы мыслить нестандартно, и как мы можем найти путь, который будет более демократичным". В данном случае это означает "что-то, что вы можете буквально прочитать с помощью своего телефона, и что вы можете изготовить путем простого литья раствора, без использования каких-либо передовых технологий производства, без захода в чистую комнату".

По словам Чандракасана, для того чтобы сделать из этого практичный коммерческий продукт, потребуется дополнительная работа. "Необходимо будет разработать возможность считывания данных в масштабах страны" с помощью смартфонов. "Так что это явно будущая возможность". Но уже сейчас принцип показывает четкий путь к тому дню, когда "фермер сможет по крайней мере, может быть, не каждое семя, но может взять несколько случайных семян из определенной партии и проверить их", - говорит он.