Los efectos cada vez más catastróficos del cambio climático y el continuo crecimiento demográfico están forzando una transformación radical en la forma de cultivar y alimentar nuestro planeta. Hasta ahora, se han utilizado diversas aplicaciones de teledetección, como la espectroscopia o los drones, para vigilar el crecimiento de las plantas, pero son poco adecuadas para un seguimiento puntual, preciso y continuo.
De hecho, para un agricultor que quiera optimizar el desarrollo de las plantas, es esencial conocer en una fase temprana la influencia de los factores medioambientales en la productividad de los cultivos, como la humedad y la temperatura del suelo, que influyen en la capacidad de las plantas para extraer agua. La sequía y el estancamiento del agua también pueden provocar un déficit en la absorción de energía y nutrientes minerales, lo que conlleva una disminución del crecimiento de la planta y del valor nutritivo de sus partes comestibles.
Los sensores de fibra óptica se perfilan cada vez más como herramientas eficaces y fiables para la vigilancia no invasiva en la agricultura: pueden “hacerse a medida” para adaptarse fácilmente a las distintas partes de la planta. Además, son biocompatibles y tienen una estructura muy flexible, ya que están hechos de fibras ópticas recubiertas de silicona. Su alta sensibilidad a la deformación, que en el caso de las plantas corresponde a su desarrollo, su fiabilidad de señal y sus dimensiones miniaturizadas, así como su bajo peso, garantizan un rendimiento óptimo.
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Tecnologías “vestibles” para una agricultura de precisión
Con este telón de fondo, la Universidad Campus Bio-Medico de Roma (UCBM) y ENEA, en colaboración con la Universidad de Nápoles Federico II, han desarrollado y probado sensores de fibra óptica de alta tecnología que pueden aplicarse directamente a plantas y frutos para realizar un seguimiento no invasivo y detallado del crecimiento y la salud, estrenando así la puerta a una agricultura inteligente y sostenible.
Como señala Emiliano Schena, catedrático de Mediciones Mecánicas y Térmicas de la UCBM, el objetivo principal del proyecto es desarrollar tecnologías “vestibles” para la monitorización de parámetros microambientales y fisiológicos de las plantas, que encuentren una aplicación práctica en la agricultura de precisión.
Mediante estas tecnologías, se pretende obtener información que permita mejorar la gestión de las plantas, desde la optimización de la producción agrícola hasta el seguimiento de las plantas, incluidas las ornamentales. Y es que los instrumentos que se utilizan hoy en día no permiten un seguimiento continuo de los parámetros ni un alto rendimiento en términos de tiempo, espacio, sensibilidad y precisión.
De los tomates al tabaco, los sensores de alta tecnología revelan los secretos del crecimiento de las plantas
El equipo de investigación desarrolló sensores de fibra óptica con diferentes características, en función de las partes de las plantas de las que se debían recoger datos, como los tallos, las hojas o los frutos. Se seleccionaron cultivos muy extendidos, como tomates, melones y calabacines, así como plantas de interés industrial como el tabaco.
Michele Caponero, investigador del Laboratorio de Micro y Nanoestructuras para Fotónica de ENEA y coautor del estudio, explica que se hicieron dos tipos de sensores: un sensor alargado colocado en los tallos de plantas de tabaco y tomate cultivadas en el laboratorio, y un dispositivo en forma de anillo aplicado alrededor de un melón y un calabacín cultivados al aire libre.
En ambos casos, los sensores mostraron una gran sensibilidad para detectar el crecimiento de las plantas, como el alargamiento del tallo en el caso del tabaco y el tomate y el cambio de circunferencia en el caso de la fruta. Esto fue así tanto en condiciones protegidas como en el campo, donde los cambios significativos en las condiciones ambientales, como la temperatura, la humedad y la iluminación, fueron registrados y monitorizados por los sensores de fibra óptica especialmente funcionalizados.
De la medicina a la agricultura para transformar la vigilancia de los cultivos
La Unidad de Investigación de Medición e Instrumentación Biomédica de la UCBM desarrolló sensores vestibles basados en fibras ópticas. Utilizando matrices poliméricas que permiten anclar el sensor a las plantas, estos sensores hacen posible monitorizar parámetros como la humedad relativa o la temperatura, pero también extraer información útil sobre la salud de la planta, como cuánto está creciendo, y superar algunas de las limitaciones que presentan actualmente las tecnologías utilizadas en la agricultura de precisión.
En la actualidad, los sensores de fibra óptica funcionalizados se utilizan principalmente en el campo de la medicina, a través de prendas de alta tecnología que permiten la monitorización continua y en tiempo real de determinados parámetros de la salud humana, desarrolladas por el Laboratorio de Micro y Nanoestructuras para Fotónica de ENEA, en colaboración con la UCBM. Esto forma parte del proyecto TECHEA – Tecnologías para la Salud, que apuesta por la creación y conexión de una infraestructura tecnológica dedicada al desarrollo, producción, validación y comercialización de prototipos de sistemas basados en tecnologías físicas, con aplicaciones en el campo de la salud pública.
La infraestructura dedicada de ENEA, situada en Frascati, consistirá en una plataforma de laboratorios abierta a la industria nacional y estará dotada del equipamiento necesario para construir los demostradores y prototipos previstos en el proyecto. Esta infraestructura también estará disponible para actividades de desarrollo ulterior de instrumentación HiTEC (alta tecnología) para el sector biomédico, en colaboración con empresas industriales interesadas en la posterior comercialización de los prototipos más avanzados.
Las tecnologías de excelencia desarrolladas por la División de Tecnologías Físicas para la Seguridad y la Salud (TECFIS) que participan en la ejecución del proyecto se refieren a sensores láser espectroscópicos portátiles para aplicaciones in situ en el sector alimentario, sensores de fibra óptica portátiles para la monitorización de pacientes durante el diagnóstico nuclear o la radioterapia, aceleradores de partículas compactos para radioterapia y detectores de radiación basados en cristales y películas de fluoruro de litio para dosimetría.
Nota publicada en Agrifood.tech
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