Gli effetti sempre più catastrofici dei cambiamenti climatici e la continua crescita demografica impongono di trasformare radicalmente il modo in cui coltiviamo e nutriamo il nostro pianeta. Finora per controllare la crescita delle piante sono state implementate diverse applicazioni di telerilevamento, come la spettroscopia o i droni, che risultano però poco adatti a un monitoraggio puntuale, accurato e continuo.
Infatti, per un agricoltore che intende ottimizzare lo sviluppo delle piante è fondamentale conoscere tempestivamente l’influenza dei fattori ambientali sulla produttività delle colture, come l’umidità del suolo e la temperatura che influenzano la capacità delle piante di prelevare acqua. Anche siccità e ristagno idrico possono causare un deficit nell’assorbimento di energia e dei nutrienti minerali, portando a una diminuzione della crescita delle piante e del valore nutritivo delle sue parti commestibili.
I sensori in fibra ottica stanno emergendo sempre di più come strumenti efficienti e affidabili per il monitoraggio non invasivo in agricoltura: possono essere realizzati ‘su misura’ per adattarsi facilmente alle diverse parti della pianta. Inoltre, sono biocompatibili e hanno una struttura molto flessibile visto che sono costituiti da fibre ottiche rivestite di silicone. La loro elevata sensibilità alla deformazione, che nel caso delle piante corrisponde al loro sviluppo, l’affidabilità del segnale e le dimensioni miniaturizzate oltre che il peso ridotto, garantiscono prestazioni ottimali.
Tecnologie “indossabili” per l’agricoltura di precisione
In questo scenario, Università Campus Bio-Medico di Roma (UCBM) ed ENEA, in collaborazione con Università di Napoli Federico II, hanno sviluppato e testato sensori hi-tech in fibra ottica che possono essere applicati direttamente su piante e frutti per un monitoraggio non invasivo e dettagliato della crescita e dello stato di salute, aprendo le porte a un’agricoltura intelligente e sostenibile.
Come sottolinea Emiliano Schena, professore ordinario di Misure meccaniche e termiche presso l’UCBM, lo scopo principale del progetto è lo sviluppo di tecnologie “indossabili” per il monitoraggio dei parametri micro-ambientali e fisiologici delle piante, che trovano applicazione pratica nell’ambito dell’agricoltura di precisione.
Attraverso queste tecnologie, si punta ad ottenere informazioni che consentano un miglioramento della gestione delle piante, dall’ottimizzazione della produzione agricola al monitoraggio delle piante, anche ornamentali. Perché gli strumenti oggi in uso non permettono il monitoraggio continuo dei parametri né elevate prestazioni a livello temporale, spaziale, di sensibilità e di accuratezza.
Dai pomodori al tabacco, i sensori hi-tech rivelano i segreti della crescita delle piante
Il gruppo di ricerca ha realizzato sensori in fibra ottica con caratteristiche diverse, a seconda delle parti delle piante da cui raccogliere i dati, come steli, foglie o frutti. Sono state selezionate colture ampiamente diffuse, tra cui pomodori, meloni e zucchine, oltre a piante di interesse industriale come il tabacco.
Michele Caponero, ricercatore del Laboratorio ENEA di Micro e nanostrutture per la fotonica e coautore dello studio, spiega che sono stati realizzati due tipi di sensori: un sensore allungato posizionato sugli steli di piante di tabacco e pomodoro coltivate in laboratorio e un dispositivo a forma di anello applicato intorno a un melone e a una zucchina cresciuti all’aperto.
In entrambi i casi, i sensori hanno dimostrato una sensibilità elevata nel rilevare la crescita delle piante, come l’allungamento dello stelo per il tabacco e il pomodoro e la variazione della circonferenza per il frutto. Questo è valso sia in condizioni protette che in campo, dove sono state registrate variazioni significative delle condizioni ambientali, come temperatura, umidità e illuminazione, che sono state monitorate grazie ai sensori in fibra ottica appositamente funzionalizzati.
Dalla medicina all’agricoltura per trasformare il monitoraggio delle colture
Ad occuparsi in particolare della realizzazione di sensori indossabili basati sulle fibre ottiche è stata l’Unità di ricerca di Misure e strumentazione biomedica di UCBM. Utilizzando matrici polimeriche che permettono l’ancoraggio del sensore alle piante, questi sensori permettono di monitorare parametri come l’umidità relativa o la temperatura ma anche di estrarre informazioni utili sulla salute della pianta, come ad esempio quanto sta crescendo, e superano alcuni dei limiti attualmente presenti nelle tecnologie oggi utilizzate nel precision farming.
Attualmente i sensori in fibra ottica funzionalizzati sono principalmente impiegati in ambito medico, attraverso indumenti hi-tech che consentono un monitoraggio continuo e in tempo reale di alcuni parametri per la salute umana, sviluppati dal Laboratorio ENEA di Micro e nanostrutture per la fotonica, in collaborazione con UCBM. Questo nell’ambito del Progetto TECHEA – Technologies for Health che si impegna nella creazione e connessione di un’infrastruttura tecnologica dedicata allo sviluppo, alla produzione, alla validazione e alla commercializzazione di prototipi di sistemi basati su tecnologie fisiche, con applicazioni nel campo della salute dei cittadini.
L’infrastruttura dedicata dell’ENEA, situata a Frascati, sarà costituita da una piattaforma di laboratori aperti all’industria nazionale e sarà dotata dell’attrezzatura necessaria per realizzare i dimostratori e i prototipi previsti nel progetto. Questa infrastruttura sarà inoltre disponibile per ulteriori attività di sviluppo di strumentazione HiTEC (High-Tech) per il settore biomedicale, in collaborazione con aziende industriali interessate alla successiva commercializzazione dei prototipi più avanzati.
Le tecnologie di eccellenza sviluppate dalla Divisione Tecnologie Fisiche per la Sicurezza e la Salute (TECFIS) coinvolte nell’implementazione del progetto riguardano la realizzazione di sensori laser spettroscopici portatili per applicazioni in situ nel settore alimentare, di sensori indossabili in fibra ottica per il monitoraggio dei pazienti durante diagnosi nucleari o radioterapie, di acceleratori di particelle compatti per la radioterapia e di rivelatori di radiazioni basati su cristalli e film di fluoruro di litio per la dosimetria.
