Il cambiamento climatico sta causando grandi sfide soprattutto per i selezionatori di piante. Un robot da campo intelligente e la tecnologia a raggi X li stanno aiutando a selezionare varietà di piante resistenti al calore. I sensori della macchina high-tech sono stati sviluppati dal Fraunhofer Development Center for X-ray Technology, una divisione del Fraunhofer Institute for Integrated Circuits IIS.
Le nostre estati diventano sempre più calde. Proprio quest'estate, la Germania ha sperimentato un'ondata di calore con temperature fino a 40°C. La siccità che ne è derivata ha colpito anche le piante. In presenza di un'ampia disponibilità d'acqua, le piante possono raffreddarsi tramite l'evaporazione. Tuttavia, non possono farlo quando sono sottoposte a uno stress da siccità. Per questo motivo, i selezionatori sperano di sviluppare piante resistenti al calore e alla siccità, in grado di sopravvivere con meno acqua e di produrre comunque una buona resa, richiedendo la minor quantità possibile di fertilizzanti e pesticidi.
I selezionatori hanno ricevuto il supporto dei ricercatori del Fraunhofer EZRT, dove da molti anni vengono condotte ricerche sulle tecnologie per la determinazione dei fenotipi delle piante. Si tratta dell'aspetto esteriore delle piante, che comprende una moltitudine di fattori come le dimensioni delle foglie, la loro disposizione, lo spessore delle radici e la resa. Da migliaia di anni le persone selezionano le colture in base alle caratteristiche esterne", spiega il dott. Stefan Gerth, capo del dipartimento AMS del Centro di sviluppo Fraunhofer per la tecnologia a raggi X. "Stiamo sviluppando tecnologie per oggettivare i fenotipi delle piante. "Stiamo sviluppando tecnologie per misurare oggettivamente queste caratteristiche fenotipiche e ottimizzare la selezione sulla base di questi dati".
Utilizzo dell'imaging 3D per prevedere le rese
Ad esempio, il team di ricerca guidato dal Dr. Gerth ha sviluppato DeBiFix, un robot da campo per applicazioni agricole. Mentre DeBiFix si fa strada tra le spighe di grano fitte, scatta continuamente immagini a raggi X delle piante. Allo stesso tempo, genera immagini 3D utilizzando un sistema ottico. Si tratta di informazioni importanti per gli allevatori che possiedono il campo in cui il robot sta lavorando, che possono così guardare all'interno delle spighe di grano e determinare se la varietà che stanno coltivando produrrà una buona resa.
Creazione di valore biogenico e progetto di agricoltura intelligente
L'obiettivo più importante del progetto transregionale di smart farming del Fraunhofer è quello di sostenere gli allevatori. Nell'ambito di questo progetto è stato avviato a Triesdorf, in Baviera, il Fraunhofer Center for Plant Phenotyping Technologies. In questa sede, il Dr. Gerth e i suoi colleghi intendono sviluppare le loro competenze e tradurle in applicazioni reali. Triesdorf, la più piccola città tedesca con un'università, ospita istituti di insegnamento agricolo e l'Università di Scienze Applicate di Weihenstephan-Triesdorf, che la rendono un centro transregionale per l'agricoltura. Il Fraunhofer IIS lavora a stretto contatto con il Centro di Competenza per l'Agricoltura Digitale che ha sede qui.
Nella cabina del laboratorio per la fenotipizzazione delle piante in ambienti a clima controllato del Fraunhofer EZRT di Fürth, il dottor Gerth mostra come lavoreranno gli allevatori in futuro. Sullo stretto nastro trasportatore davanti alla macchina a raggi X sono disposti in file ordinate vasi di varie piante da coltivazione. Lo sportello della macchina a raggi X si apre e un vaso rotola all'interno. Una volta chiuso lo sportello, il vaso viene sottoposto a una tomografia computerizzata e ad altri test. Solo cinque minuti dopo, è il momento del vaso successivo.
"Più di dieci anni fa, abbiamo iniziato a radiografare le piante di patate per ottenere informazioni sulla crescita dei tuberi", riferisce il dottor Gerth. "Sulla base delle scansioni a raggi X 3D, possiamo determinare il peso dei tuberi senza doverli scavare". Questo processo viene utilizzato per compiti quali la selezione di varietà particolarmente resistenti al calore. A tal fine, le piante vengono sottoposte a uno stress termico all'interno del laboratorio. Le scansioni mostrano quali piante affrontano lo stress in modo più efficace, formando tuberi forti nonostante il calore.
Mentre con le prime scansioni di tomografia computerizzata era possibile radiografare solo le radici e i tuberi spessi, i nuovi sistemi sono in grado di catturare anche la delicata struttura sotterranea delle radici del grano. "La nostra nuova macchina a raggi X è il sistema più moderno e potente per la radiografia delle parti sotterranee delle piante", afferma il dottor Gerth.
I ricercatori del Fraunhofer EZRT stanno anche eseguendo immagini digitali 3D delle parti delle piante in superficie, come le foglie e le spighe di grano. Questi dati possono essere utilizzati per determinare non solo l'area della superficie fogliare: le immagini 3D forniscono anche informazioni sulla tolleranza al calore della pianta. La pianta solleva le foglie per proteggersi dal sole? Le foglie si arricciano per lo stress?
Utilizzo dell'intelligenza artificiale per analizzare i fenotipi delle singole piante
L'efficienza dei sistemi di riconoscimento ottico delle piante del Fraunhofer EZRT è stata chiaramente dimostrata in un campo di prova presso l'azienda sementiera Strube D&S GmbH. In questo caso è stato utilizzato il secondo prototipo di BlueBob, un robot da campo che naviga da solo e rimuove automaticamente le erbacce nei campi di barbabietola da zucchero. Mentre si muove tra i filari, registra le immagini di tutte le piante vive utilizzando telecamere multispettrali.
"Utilizzando l'intelligenza artificiale, il fenotipo di ogni singola pianta viene analizzato e classificato come pianta infestante o pianta di barbabietola", spiega Christian Hügel, responsabile del Centro tecnico di ricerca sulle sementi di Strube. Se BlueBob 2.0 identifica un'erbaccia, la rimuove dal terreno con i suoi strumenti di zappatura. Rimuove le erbacce sia tra le file (utilizzando strumenti statici) sia all'interno delle file (utilizzando strumenti mobili). Di conseguenza, quasi tutte le erbacce intorno alle piante di barbabietola vengono rimosse. Ciò significa che l'uso di diserbanti chimici può essere drasticamente ridotto.
Uno dei principali pacchetti di lavoro del nuovo centro di Triesdorf riguarderà l'elaborazione dei dati ottenuti durante la fenotipizzazione. "Il nostro obiettivo principale è quello di utilizzare la nostra tecnologia per supportare i selezionatori di piante di piccole e medie dimensioni", sottolinea il Dr. Gerth.