“L’evoluzione tecnologica ha aperto nuove porte per migliorare l’efficienza e la sostenibilità nel settore agricolo. Ma ciò che manca è la capacità di sfruttare appieno le tecnologie disponibili. È qui che entra in gioco la figura dell’ingegnere elettronico, un collaboratore essenziale in stretta sinergia con gli agronomi”.

Danilo Demarchi, Professore Ordinario presso il Politecnico di Torino e fondatore delle “Transactions on AgriFood Electronics”, la nuova rivista internazionale dell’IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), afferma con convinzione che l’ingegneria elettronica sia la chiave per riscrivere il paradigma dell’agricoltura. In questa intervista per la Società Italiana di Elettronica, il Prof. Demarchi delinea come l’elettronica, con la sua abilità nell’ottimizzazione delle risorse, nel monitoraggio delle colture e nell’implementazione di pratiche agricole sostenibili, sia necessaria per tracciare un futuro agricolo più efficiente ed ecologicamente responsabile.

“La chiave del successo è progettare sistemi elettronici adattati alle esigenze delle aziende agricole per rendere queste tecnologie non solo accessibili, ma anche economicamente sostenibili”.

Il cuore di questa trasformazione è dunque l’intreccio tra sostenibilità economica e ambientale, seguendo la definizione della FAO di “Climate-Smart Agriculture”, un approccio che orienta le iniziative per portare i sistemi agroalimentari verso pratiche sostenibili e resilienti al clima.

Il Prof. Demarchi, dopo diversi anni di applicazione dell’elettronica all’ingegneria biomedica, nel 2016 ha intravisto il potenziale delle tecnologie elettroniche anche nella catena dell’agroalimentare (agrifood). Il principio è lo stesso: così come vengono sviluppati dispositivi indossabili per gli esseri umani, è possibile creare soluzioni simili anche per le piante. Pertanto, le attività del gruppo di ricerca si concentrano sullo sviluppo di sistemi elettronici, dalla creazione del sensore per la raccolta dei dati fino alla loro trasmissione ed elaborazione. Queste reti di sensori, integrate nei contesti agricoli, sono state identificate dal World Economic Forum come una delle cinque tecnologie in grado di rivoluzionare il mondo.

Lo scopo è quello di effettuare misurazioni tra le quali una delle più innovative è l’impedenza delle piante per rilevare i parametri che riflettono il loro stato di salute e attività. L’impedenza è la misura dell’opposizione di un circuito al flusso di corrente, e nel caso delle piante varia in risposta a fattori come lo stress idrico, i cicli di attività svolte nelle ore notturne e altre attività stagionali. Il progetto del Prof. Demarchi si concentra sull’integrazione di misurazioni dirette sia sulla pianta che sul terreno, trattati come un sistema unico. Queste misurazioni includono parametri come umidità, temperatura e il contenuto di azoto, potassio e fosforo al fine di ottenere dati accurati sul sistema pianta-terreno per informare e guidare decisioni mirate.

“Avere accesso a questi dati significa disporre di strumenti per ottimizzare, attraverso lo studio del ciclo di vita delle piante, per esempio, l’impiego dell’acqua e la riduzione dei pesticidi.ma anche migliorare aspetti cruciali come le emissioni di gas serra. Parallelamente, si assiste a un monitoraggio continuo, che oggi viene effettuato attraverso telecamere e parametri ambientali, consentendo una visione completa e avanzata dell’ambiente agricolo”.

L’elettronica genera soluzioni pratiche per il settore agricolo

“Fino a pochi anni fa, l’elettronica non era pronta per entrare nell’agricoltura. Solo di recente le tecnologie sono diventate idonee per l’utilizzo in questo settore che richiede un basso costo e un basso consumo energetico. La sfida dell’elettronica consiste proprio in questo”.

Le moderne tecnologie utilizzano materiali flessibili, adatti all’applicazione sulle piante, unitamente a circuiti elettronici a basso consumo e sistemi di “energy harvesting” (raccolta di energia) da fonti come il terreno o la luce solare. Il Prof. Demarchi sottolinea quanto sia importante, dal punto di vista ecologico, evitare l’impiego delle batterie che oggi rappresentano un ostacolo piuttosto limitante.

Il suo gruppo di ricerca, in collaborazione con l’Università di Tel Aviv, ha dimostrato la possibilità di mettere in comunicazione due piante. Il segnale elettrico è stato trasmesso da una pianta e ricevuto da un’altra, percorrendo l’albero, le radici e il terreno. Per alimentare il trasmettitore è stata utilizzata una cella solare, mentre il ricevitore è stato alimentato da “fuel cells” (celle a combustibile che convertono l’energia chimica in elettrica), quindi tutto senza l’impiego di batterie. La ricerca è sempre più indirizzata verso questo tipo di applicazioni e verso la progettazione di chip che possano monitorare e gestire i dati all’interno della pianta. La strada è ancora lunga, ma si arriverà ad avere chip dedicati e sistemi miniaturizzati il più possibile.

Un’altra applicazione nasce dal progetto regionale WAPPFRUIT basato sull’implementazione di un sistema di monitoraggio del terreno nei campi di tre aziende agricole diverse. Attraverso un costante monitoraggio è stato possibile regolare l’irrigazione in base all’evoluzione del terreno. Nel corso dei due anni di sperimentazione, basata sull’adattamento dell’irrigazione alle condizioni del suolo, il sistema ha dimostrato di ridurre del 50% il consumo di acqua, mantenendo la stessa qualità della frutta misurata in termini di dolcezza e dimensioni. Questo importante risultato è stato possibile grazie all’approccio diretto sul terreno.

“Le caratteristiche di un terreno possono variare anche a distanza di metri e sarebbe necessario distribuire più sensori per gestire l’irrigazione delle diverse aree del campo. Ma ad oggi, i sensori di questo genere sono costosi, creando una sfida economica per la gestione efficiente del terreno”.

I cambiamenti climatici hanno trasformato radicalmente l’approccio all’agricoltura mettendo gli agricoltori di fronte a sfide senza precedenti a causa dell’alterazione dei parametri stagionali. In questo contesto, l’elettronica emerge come un alleato prezioso, consentendo la raccolta di dati in tempo reale e la costruzione di modelli predittivi. Questi modelli offrono la possibilità di sviluppare soluzioni tempestive per affrontare le mutevoli condizioni ambientali. Sebbene si tratti di un progetto a lungo termine, un esempio concreto di questa applicazione è, per esempio, un progetto volto alla previsione delle gelate notturne. Attraverso l’utilizzo di sensori, è possibile creare modelli in grado di avvertire in anticipo del verificarsi di una gelata che può in una sola notte recare danni gravissimi alle coltivazioni.

 

Come avvicinare le nuove generazioni all’ingegneria elettronica?

“L’elettronica è spesso percepita come complicata e difficile, ma è un mito da sfatare per incoraggiare i giovani a esplorare questo campo. Comunicare l’importanza dell’elettronica in tutte le applicazioni tecnologiche è il primo passo, e dovrebbe essere parte integrante di ogni corso di laurea”.

È evidente quanto la microelettronica sia strategica e le attuali soluzioni elettroniche hanno raggiunto un punto di saturazione che rende necessario un impegno per dimostrare che l’elettronica è cruciale in molteplici settori, ma offre anche spazi di innovazione e sviluppo inaspettati. Gli ingegneri elettronici del futuro si troveranno di fronte alla possibilità di creare soluzioni completamente nuove anziché ottimizzare solo quelle esistenti. Infatti, nel prossimo futuro l’elettronica può avere una seconda vita grazie alle nuove frontiere applicative che si stanno aprendo, quali la citata catena del valore dell’agroalimentare. Non dimentichiamo che per avere soluzioni efficienti nel campo dell’intelligenza artificiale, servono in primis sistemi elettronici altamente performanti e innovativi.

Al fine di promuovere la conoscenza dell’ingegneria elettronica nell’agricoltura, l’IEEE ha creato un comitato dedicato ai cambiamenti climatici. Inoltre, vengono organizzati diversi eventi di formazione e informazione che possono essere consultati alla pagina https://climate-change.ieee.org/

E dall’ottobre del 2023 è stato istituito al Politecnico di Torino un nuovo corso di laurea magistrale in agritech-engineering, facente parte del collegio di ingegneria elettronica. Questa magistrale rappresenta un possibile percorso per gli studenti che dopo la triennale in ingegneria elettronica possono specializzarsi nell’utilizzo dell’elettronica per le tecnologie nell’agricoltura (https://www.polito.it/didattica/corsi-di-laurea-magistrale/agritech-engineering).