Agricoltura 4.0: gli scienziati cinesi hanno sviluppato un’interfaccia robotica in grado di riconoscere le piante a vari stadi della crescita

I ricercatori cinesi hanno sviluppato un robot capace di identificare diverse specie di piante a vari stadi della loro crescita “toccando” le foglie con un elettrodo. Secondo lo studio, il robot tattile è in grado di misurare proprietà che non possono essere analizzate con gli attuali approcci visivi, come la consistenza della superficie e il contenuto d’acqua.

Robot per l’agricoltura: l’ultima innovazione

Sostenuto dalla necessità di affrontare sfide chiave come la carenza di manodopera e i cambiamenti climatici, l’utilizzo dei robot in agricoltura è una realtà già ben assodata: con una crescita annuale che supera il 20%, il mercato delle applicazioni robotiche per l’agricoltura potrebbe superare i 40 miliardi di dollari entro il 2028.

Si tratta degli ormai tradizionali robot di mungitura, ma anche di piattaforme semoventi (come irroratrici, raccoglitori e falciatrici), droni e trattori a guida autonoma che permettono di automatizzare i processi e applicare un approccio data-driven, utile a contenere notevolmente gli sprechi e a ridurre l’impatto ambientale dell’attività agricola.

L’impiego di interfacce robotiche IoT che integrano soluzioni di Intelligenza Artificiale permette in particolare di monitorare lo stato delle coltivazioni in tempo reale, consentendo agli agricoltori di scegliere il momento più indicato per il raccolto e di tenere sempre sotto controllo lo stato di salute delle singole piante.

Il nuovo robot sviluppato dagli scienziati cinesi, illustrato in uno studio pubblicato sulla rivista Device, si spinge ancora oltre: grazie a una speciale interfaccia iontronica, infatti, può riconoscere diverse specie di piante in vari stadi della crescita e può misurare proprietà impossibili da rilevare con gli attuali approcci visivi, come la consistenza della superficie e il contenuto d’acqua delle foglie.

Il robot che “tocca” le piante: lo studio

I robot attualmente utilizzati per il monitoraggio delle coltivazioni non entrano in contatto con le piante, ma utilizzano approcci visivi che possono essere molto efficaci ma che sono soggetti a condizioni come l’illuminazione e la presenza di interferenze.

Per superare queste limitazioni, Zhongqian Song e colleghi hanno sviluppato un robot che “tocca” le piante utilizzando un meccanismo ispirato alla pelle umana, con strutture che lavorano insieme in modo gerarchico per ottenere informazioni attraverso il tatto.

Quando un elettrodo entra in contatto con una foglia, spiegano i ricercatori, il dispositivo impara a conoscere la pianta misurando diverse proprietà: la quantità di carica che può essere immagazzinata a una determinata tensione, la difficoltà della corrente elettrica a muoversi attraverso la foglia e la forza di contatto quando il robot afferra la foglia.

Questi dati, elaborati tramite machine learning, permettono di classificare la pianta poiché differenti valori per ogni misura sono correlati a diverse specie e stadi della crescita. Il robot ha identificato dieci diverse specie di piante con un’accuratezza media del 97,7% e ha identificato le foglie della pianta di bauhinia in fiore con un’accuratezza del 100% nelle varie fasi di crescita.

Come spiega Zhongqian Song, professore associato presso la Shandong First Medical University & Shandong Academy of Medical Sciences e autore dello studio,

“Potrebbe rivoluzionare la gestione delle colture e gli studi sull’ecosistema e consentire l’individuazione precoce delle malattie, fondamentale per la salute delle piante e per la sicurezza alimentare”.

Gli agricoltori, spiega Song, potrebbero utilizzare il robot per monitorare la salute e la crescita delle colture e per prendere decisioni personalizzate sulla quantità di acqua e fertilizzanti da somministrare alle piante e su come affrontare il controllo dei parassiti.

Un vasto potenziale: il prossimo futuro del robot tattile

Il nuovo studio sembra superare di slancio alcune importanti limitazioni in materia di robot tattili per applicazioni agricole: a differenza dei sensori tattili più sofisticati, per esempio, il nuovo sistema è in grado di distinguere foglie di piante diverse che hanno durezza e consistenza simili.

Come si legge nello studio, lo sviluppo del nuovo robot parte dall’ipotesi iniziale che “le interfacce iontroniche floristiche non stazionarie potrebbero consentire l’acquisizione di maggiori informazioni biologiche per il riconoscimento e la classificazione delle foglie delle piante”, superando i limiti imposti dalle interfacce ioniche di ultima generazione. I ricercatori hanno quindi sviluppato un’interfaccia iontronica – ovvero che usa gli ioni per trasmettere, generare e memorizzare segnali – capace di impiegare le stesse foglie come materiali iontronici.

Sebbene il nuovo robot mostri un potenziale di applicazioni “vasto e inaspettato” in campi che vanno dall’agricoltura di precisione agli studi ecologici fino al rilevamento delle malattie delle piante, ci sono ancora diverse criticità da affrontare. Come spiega Song, il dispositivo non è ancora abbastanza versatile per identificare in maniera coerente tipi di piante con strutture complicate, come bave e foglie aghiformi. Questo problema, d’altro canto, potrebbe essere risolto lavorando sul design dell’elettrodo, per esempio esplorando le possibilità offerte dalle interfacce iontroniche miniaturizzate. Come spiega il professore,

“Potrebbe essere necessario un periodo di tempo relativamente lungo per raggiungere la produzione e la diffusione su larga scala, a seconda degli sviluppi tecnologici e del mercato”.

Nel prossimo futuro, i ricercatori intendono ampliare il numero di piante che il robot è in grado di riconoscere incrementando il database di specie vegetali utilizzato per addestrare gli algoritmi. I ricercatori sperano anche di integrare ulteriormente il sensore del dispositivo in modo che possa visualizzare i risultati in tempo reale, anche senza una fonte di alimentazione esterna, afferma Song.

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