Sensori hi-tech per monitorare la crescita e lo stato di salute delle piante

Università Campus Bio-Medico di Roma (UCBM) ed ENEA, in collaborazione con Università di Napoli Federico II, hanno sviluppato e testato sensori in fibra ottica su misura da applicare direttamente su piante e frutti per monitorarne in modo non invasivo crescita e stato di salute. Dai risultati pubblicati su diverse riviste scientifiche, emergono soluzioni per un’agricoltura sostenibile e smart che utilizza la tecnologia per incrementare qualità e quantità dei raccolti, in uno scenario globale sempre più caratterizzato da cambiamenti climatici e crescita demografica.

“Questo progetto di ricerca nasce da una collaborazione tra tre unità di ricerca dell’Università Campus Bio-Medico di Roma – ‘Misure e strumentazione biomedica’, ‘Scienze degli alimenti e nutrizione’ e ‘Fisica non lineare e modelli matematici’ - e il Centro Ricerche ENEA di Frascati”, sottolinea Emiliano Schena, professore ordinario di Misure meccaniche e termiche di UBCM. “L’obiettivo – aggiunge – è quello di sviluppare tecnologie ‘indossabili’ finalizzate al monitoraggio di parametri microambientali e fisiologici della pianta che trovano applicazione nell’ambito dell’agricoltura di precisione. Attraverso queste tecnologie vogliamo estrarre informazioni che consentano di migliorare la gestione della pianta, dall’ottimizzazione della produzione agricola fino al monitoraggio di piante, anche ornamentali”.

I sensori realizzati dal gruppo di ricerca hanno caratteristiche diverse in base alle parti delle piante dove raccogliere dati (stelo, foglie o frutti). Gli scienziati hanno lavorato su colture molto diffuse, quali il pomodoro, il melone e la zucchina e altre piante particolarmente utilizzate dall’industria, ad esempio il tabacco. “Per questo studio abbiamo realizzato due diversi sensori in fibra ottica: il primo dalla forma allungata è stato posizionato sugli steli di una pianta di tabacco e di una di pomodoro coltivate in laboratorio, mentre il secondo dispositivo a forma di anello è stato applicato intorno a un melone e a una zucchina cresciute all’aperto”, spiega Michele Caponero, ricercatore del Laboratorio ENEA di Micro e nanostrutture per la fotonica e coautore dello studio. “In entrambi i casi – prosegue – i sensori hanno dimostrato un’elevata sensibilità nel rilevare la crescita delle piante, come l’allungamento dello stelo nel caso del tabacco e del pomodoro e la variazione della circonferenza nel caso del frutto, sia in condizioni protette che in campo, dove abbiamo registrato variazioni significative di condizioni ambientali in termini di temperatura, umidità e illuminazione, anch’esse monitorate grazie a sensori in fibra ottica opportunamente funzionalizzati”.

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 renderli facilmente ancorabili alle diverse parti della pianta. Inoltre, sono biocompatibili ed hanno una struttura molto flessibile visto che sono costituiti da fibre ottiche rivestite di silicone. Le loro prestazioni sono garantite da un’elevata sensibilità alla deformazione, che nel caso delle piante corrisponde al loro sviluppo, dall’affidabilità del segnale e da dimensioni miniaturizzate oltre che da un peso ridotto. “I nostri sensori hanno dimostrato di saper monitorare tutti questi aspetti fondamentali per lo sviluppo vegetale, in ‘simbiosi’ con la coltura stessa”, aggiunge Caponero. L’Unità di ricerca di Misure e strumentazione biomedica di UCBM si è occupata in particolare della realizzazione di sensori indossabili basati sulle fibre ottiche. Utilizzano 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 nell’agricoltura di precisione. “Gli strumenti ad oggi in uso non permettono infatti il monitoraggio continuo dei parametri né elevate prestazioni a livello temporale, spaziale, di sensibilità e di accuratezza”, conclude Schena.

Finora per controllare la crescita delle piante sono state usate 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 voglia ottimizzare lo sviluppo delle piante è fondamentale conoscere in modo tempestivo l’influenza dei fattori ambientali sulla produttività delle colture, come l’umidità del suolo e la temperatura che influenzano l’efficienza nell’uso dell’acqua da parte delle piante. 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.