I sensori per il monitoraggio della crescita dei frutti rappresentano uno strumento fondamentale per implementare una gestione precisa del frutteto (“Precision Orchard Management”, POM). Conoscere in tempo reale informazioni sull’espansione e il restringimento dei frutti durante giorno e notte e nel corso della stagione consente di ottimizzare le pratiche agronomiche al fine di ottenere la qualità desiderata (es. pezzatura) in pianta nel momento della raccolta e così massimizzare il profitto. Lo strumento di riferimento per misurare la dimensione del frutto, di norma il diametro equatoriale massimo, è il calibro, nelle sue varianti tradizionali e digitali. Seppur efficace, questo strumento necessita di un operatore che periodicamente si rechi in campo a misurare un campione rappresentativo di frutti (normalmente almeno 200-300 frutti/ha). Tale pratica può risultare onerosa, tanto economicamente, quanto in termini di tempo in funzione dell’estensione aziendale che si vuole monitorare.
Il fruttometro del gruppo di ricerca Ecopom
Per questo motivo il gruppo di ricerca di Ecofisiologia e Frutticoltura di Precisione del Distal – Università di Bologna (Ecopom) sviluppa diverse linee di ricerca parallele, esplorando soluzioni basate su approcci, strumenti e obiettivi differenti. Nello specifico, vengono studiati sia sensori per il monitoraggio continuo e ultra preciso della fisiologia di crescita del frutto, sia sistemi di visione per determinare numero e dimensione dei frutti in tutto il frutteto. Se il primo approccio permette di monitorare costantemente l’accrescimento dei frutti con grande accuratezza (fino a decine di micrometri), il secondo permette di campionare e misurare tutti i frutti visibili con precisione millimetrica.
Il gruppo Ecopom utilizza il cosiddetto “fruttometro”, reso pubblico nel 2007, ma proto-tipizzato già dagli inizi del 2000, che ha permesso lo studio dei flussi vascolari e di caratterizzare le strategie di crescita di numerose specie arboree (kiwi, pesco, ciliegio, albicocco, castagno, mandorlo, olivo). Seppur questo strumento si dimostri eccellente per la ricerca in termini di sensibilità (µm) e performance in campo, costi e manutenzione di tale sistema possono risultare eccessivi e lo rendono poco adatto a un uso su larga scala per l’impiego in aziende agricole. Per rispondere a questa esigenza, Ecopom ha avviato due linee di ricerca per innovare questo sistema di monitoraggio con l’obiettivo di abbassarne i costi e renderne minima la manutenzione dopo l’installazione.
La collaborazione con l’IssLab Arces dell’Università di Bologna ha portato alla realizzazione di un fruttometro angolare, un dispositivo di semplice ed economica realizzazione, che per-mette di monitorare la crescita dei frutti in campo durante tutta la stagione senza necessità di essere riallocati settimanalmente adattandosi alle loro crescenti dimensioni. In collaborazione con il Sensing Technologies Lab della Libera Università di Bolzano, in un progetto di dottorato cofinanziato dal Centro di Sperimentazione di Laimburg, si stanno indagando le performance di estensimetri resistivi stampati con inchiostri conduttivi su substrati estensibili. L’approccio dell’elettronica stampata ha come medesimo obiettivo l’abbassamento dei costi del sensore e un’incrementata fruibilità per il regolare utilizzo in campo.
L’obiettivo delle ricerche in corso è l’ottimizzazione dei diversi aspetti del sistema di monitoraggio: la stabilità e il suo impatto sul frutto, l’assenza di manutenzione dopo l’installazione e il costo ridotto.
Un approccio più classico: le pinze
Nonostante il problema possa sembrare banale, l’esigenza di non interferire con il naturale sviluppo del frutto rende il processo di misura tutt’altro che semplice. Essendo la superficie di contatto limitata e tale da non compromettere la traspirazione del frutto, un sistema permanente di misura deve infatti garantire un'adesione efficace pur senza esercitare una pressione eccessiva che possa provocare deformazioni. Inoltre, la dimensione del sensore deve essere sufficientemente grande per garantire una misura del diametro nel corso dell’intero ciclo di accrescimento del frutto, evitandone la necessità di riposizionamento.
Queste specifiche hanno portato alla progettazione di un nuovo tipo di sensore, soprannominato affettuosamente “pinza” per via della sua forma caratteristica. Questo design è stato concepito per affrontare tutte le problematiche precedentemente descritte, garantendo al tempo stesso una buona risoluzione nelle misurazioni. La forma a pinza consente di assicurare una presa stabile sul frutto senza comprometterne la crescita o alterarne le funzioni fisiologiche, rappresentando così una soluzione innovativa e pratica per il monitoraggio continuo e preciso del suo sviluppo.
Il funzionamento del sensore è basato su un principio estremamente semplice ed efficace. Due braccetti di materiale plastico, collegati tra loro in un punto di fulcro, vengono mantenuti delicatamente aderenti al frutto mediante una molla. Il sensore rileva così l’angolo di apertura dei braccetti e mediante una semplice relazione trigonometrica è possibile stimare la distanza tra i punti di contatto sul frutto ottenendone così il diametro. La misura, effettuata con una precisione inferiore al millimetro, viene inviata in modalità wireless tramite la tecnologia LoRa.
Tale tecnologia utilizza frequenze radio non licenziate, eliminando costi aggiuntivi per il loro utilizzo, e garantisce una trasmissione efficiente anche su lunghe distanze. L’intero processo di acquisizione viene completamente automatizzato mediante una interfaccia elettronica che, in tal modo, completa il nodo sensore. I dati vengono ricevuti da un gateway posto non necessariamente nelle immediate vicinanze del campo ed inoltrati al server che li memorizza e rende fruibili ad agricoltori, ricercatori e sistemi di supporto alle decisioni (Dss). Questo approccio consente un monitoraggio continuo e integrato, migliorando la gestione del frutteto e le strategie di coltivazione.
Per garantire la massima risoluzione possibile è stata necessaria l’implementazione di un insieme di procedure di calibrazione e compensazione che permettessero di rendere il sistema il più immune possibile alle variazioni dei parametri ambientali. Queste procedure assicurano che le misurazioni siano precise e affidabili anche in condizioni operative variabili, come cambiamenti di temperatura, umidità e altre influenze esterne. I primi prototipi del sensore sono stati provati in campo presso l’azienda agraria sperimentale del Distal dell’Università di Bologna. Questi test hanno permesso di verificare le prestazioni del sistema in un ambiente reale, confermando la sua capacità di funzionare efficacemente nelle condizioni operative tipiche di un frutteto.
Elettronica stampata, un nuovo paradigma in frutticoltura
Nel caso della sensoristica stampata il focus della ricerca è l’ottimizzazione dei diversi aspetti del sensore in sé. Per soddisfare esigenze come stabilità, costo, assenza di manutenzione, si è scelto di realizzare un estensimetro resistivo, il cui valore di resistenza elettrica è un parametro che varia in base all’espansione o al restringimento del frutto. La resistenza che il sensore manifesta allargandosi e restringendosi è dunque il valore che viene utilizzato per monitorare l’accrescimento del frutto. Per renderlo leggero e conforme alla superficie del pomo si sfruttano le potenzialità dell’elettronica flessibile ed estensibile. La traccia resistiva viene stampata su un substrato termoplastico utilizzando la tecnica della serigrafia: questo approccio combina le proprietà meccaniche del substrato, selezionato accuratamente per seguire l’espansione del frutto senza applicare forze che ne ostacolino la crescita, con le proprietà elettriche conferite dall’inchiostro conduttivo e dalla geometria realizzata.
La tecnica della serigrafia, in inglese “screen printing”, è ampiamente sviluppata a livello industriale permettendo di scalare la produzione riducendo al minimo i costi. Seppur questo pro-getto sia in fase iniziale, i primi prototipi sono stati installati in frutteto a inizio giugno 2024 presso il Lido (Laimburg Integrated Digital Orchard), frutteto digitale sperimentale di Rosy Glow Pink Lady® con estensione 0,65 ha e allevato con sistema multi-asse planare. I sensori, montati lungo il diametro massimo equatoriale e provvisoriamente mantenuti in posizione grazie a due semplici morsetti a coccodrillo, hanno seguito il regolare accrescimento dei frutti, espandendosi con essi fino a raccolta. Sarà obiettivo delle prossime due stagioni in campo l’ottimizzazione delle interconnessioni, la protezione della traccia stampata, la lettura e l’eventuale correzione del segnale.
Il futuro della frutticoltura di precisione
Per implementare una “precision orchard management” efficace, la soluzione risiede probabilmente nella combinazione e integrazione di sistemi di visione e sensoristica come quella descritta per il monitoraggio della crescita dei frutti. I sensori, come il fruttometro angolare e gli estensimetri resistivi stampati, permetteranno un monitoraggio continuo e preciso della crescita dei frutti durante tutta la stagione. Posizionati in zone rappresentative del frutteto, questi sensori misurano in tempo reale l’espansione e il restringimento dei frutti, fornendo dati cruciali per ottimizzare le pratiche agronomiche. La scelta delle aree di monitoraggio può essere supportata da sistemi di visione, che consentono di mappare e identificare le zone più significative del frutteto.
Le campagne di acquisizione dei dati vengono effettuate nei momenti chiave della stagione, quando è necessario monitorare l’evoluzione della crescita per garantire che le condizioni siano ideali per ottenere una qualità ottimale dei frutti al momento della raccolta. Questi sensori, che operano tramite tecnologie come LoRa per la trasmissione dei dati, offrono misurazioni precise e affidabili, con un'accuratezza che può arrivare a frazioni di millimetro.
Sebbene la ricerca in questo campo sia ancora in fase di sviluppo, l’obiettivo è che, una volta che i singoli sistemi saranno completamente maturi, essi possano essere integrati in un unico Sistema di Supporto alle Decisioni (DSS). Questo sistema, basato sui dati raccolti dai sensori, guiderà il frutticoltore nell'applicazione delle migliori tecniche agronomiche, ottimizzando le risorse, la gestione del frutteto e massimizzando il rendimento commerciale.
