Il cambiamento climatico sta causando grandi sfide soprattutto per i coltivatori di piante. Un robot da campo intelligente e una tecnologia a raggi X li aiutano a selezionare varietà vegetali 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 continuano a diventare più calde. Proprio quest'estate, la Germania ha subito un'ondata di caldo con temperature fino a 40°C. La siccità che ne è derivata ha colpito anche le piante. Data un'ampia scorta di acqua, queste piante possono raffreddarsi per evaporazione. Tuttavia, non possono farlo quando sono sotto stress da siccità. Questo è il motivo per cui i coltivatori di piante sperano di sviluppare piante resistenti al calore e alla siccità che possano sopravvivere con meno acqua, e tuttavia produrre una buona resa pur richiedendo la minor quantità possibile di fertilizzanti e pesticidi.

Gli allevatori hanno ricevuto il sostegno dei ricercatori del Fraunhofer EZRT, dove per molti anni sono state condotte ricerche sulle tecnologie per la determinazione dei fenotipi vegetali. Questo si riferisce al loro aspetto esterno, che include una moltitudine di fattori come la dimensione delle foglie, la disposizione delle foglie, lo spessore delle radici e la resa. "Le persone selezionano le colture in base alle caratteristiche esterne da migliaia di anni", spiega il dott. Stefan Gerth, capo del dipartimento AMS del Fraunhofer Development Center for X-ray Technology. "Stiamo sviluppando tecnologie per misurare oggettivamente queste caratteristiche fenotipiche e ottimizzare l'allevamento sulla base di questi dati."

Utilizzare l'imaging 3D per prevedere i rendimenti

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 attraverso spighe di grano densamente imballate, acquisisce continuamente immagini a raggi X delle piante. Allo stesso tempo, genera immagini 3D utilizzando un sistema ottico. Questa è un'informazione importante per l'allevatore proprietario del campo in cui sta lavorando il robot:consente loro di guardare essenzialmente all'interno delle spighe di grano e determinare se la varietà che stanno coltivando produrrà una buona resa.

Progetto di creazione di valore biologico e agricoltura intelligente

L'obiettivo più importante del progetto transregionale di agricoltura intelligente Fraunhofer è sostenere gli allevatori. Il Fraunhofer Center for Plant Phenotyping Technologies è stato lanciato a Triesdorf, in Baviera, come parte di questo progetto. In questa sede, il Dr. Gerth ei suoi colleghi intendono sviluppare la loro esperienza e tradurla in applicazioni reali. Triesdorf, la città più piccola della Germania con un'università, ospita istituti di insegnamento agrario e l'Università di scienze applicate Weihenstephan-Triesdorf, il che la rende un centro transregionale per l'agricoltura. Fraunhofer IIS lavora a stretto contatto con il Centro di competenza per l'agricoltura digitale che si trova lì.

Selezione di varietà vegetali resistenti al calore

Nella cabina di laboratorio per la fenotipizzazione delle piante in ambienti climatizzati presso il Fraunhofer EZRT di Fürth, il Dr. Gerth dimostra come lavoreranno gli allevatori in futuro. Sul nastro trasportatore stretto davanti alla macchina a raggi X, i vasi di varie piante coltivate sono disposti in file ordinate. La porta della macchina a raggi X si apre e una pentola rotola all'interno. Una volta che la porta si è chiusa, il vaso viene sottoposto a una tomografia computerizzata, tra gli altri test. Appena cinque minuti dopo, è il momento del prossimo piatto.

"Più di dieci anni fa, abbiamo iniziato a sottoporre a raggi X le piante di patate per ottenere informazioni sulla crescita dei tuberi", riferisce il dott. Gerth. "Sulla base delle scansioni a raggi X 3D, possiamo determinare il peso dei tuberi senza doverli scavare". Questo processo viene utilizzato per attività come la selezione di varietà particolarmente resistenti al calore. A tal fine, le piante vengono poste sotto stress termico all'interno del box laboratorio. Le scansioni mostrano quindi quali piante affrontano lo stress in modo più efficace, formando forti tuberi nonostante il caldo.

Mentre solo radici e tuberi spessi potevano essere sottoposti a raggi X con le prime scansioni di tomografia computerizzata, i nuovi sistemi possono anche catturare 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 di parti di piante sotterranee", afferma il Dr. Gerth.

I ricercatori del Fraunhofer EZRT stanno anche conducendo l'imaging digitale 3D delle parti delle piante che si trovano fuori terra, come foglie e spighe di grano. Questi dati possono essere utilizzati per determinare più della semplice area della superficie fogliare:le immagini 3D forniscono anche informazioni sulla tolleranza al calore della pianta. La pianta alza le foglie per proteggersi dal sole? Arriccia le foglie a causa dello stress?

Utilizzare l'IA per analizzare i fenotipi delle singole piante

L'efficienza dei sistemi di riconoscimento ottico delle piante di Fraunhofer EZRT è stata chiaramente dimostrata in un campo di prova presso la società di sementi Strube D&S GmbH. In questo caso è stato utilizzato il secondo prototipo BlueBob, un robot da campo che naviga da solo e rimuove automaticamente le erbacce nei campi di barbabietola da zucchero. Mentre si sposta tra le file, registra le immagini di tutte le piante viventi utilizzando telecamere multispettrali.

"Utilizzando l'intelligenza artificiale, il fenotipo di ogni singola pianta viene analizzato e classificato come pianta infestante o barbabietola", spiega Christian Hügel, capo del Centro tecnico di ricerca sui semi 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 (usando strumenti statici) che all'interno delle file (usando strumenti mobili). Di conseguenza, quasi tutte le erbacce attorno alle piante di barbabietola vengono rimosse. Ciò significa che l'uso di diserbanti chimici può essere drasticamente ridotto.

Un importante pacchetto di lavoro presso il nuovo centro di Triesdorf riguarderà l'elaborazione dei dati ottenuti durante la fenotipizzazione. "Il nostro obiettivo principale è utilizzare la nostra tecnologia per supportare i coltivatori di piante di piccole e medie dimensioni", sottolinea il dott. Gerth. + Esplora ulteriormente

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