Los sensores ópticos en la agricultura digital

La rápida evolución que estamos presenciando en la agricultura actualmente, con la irrupción de las nuevas tecnologías de forma clara, nos lleva a reflexionar en ocasiones sobre la idoneidad de estos métodos o de la tecnología electrónica que llevan comúnmente asociada.

Tal es el caso de los sensores ópticos, y en especial de los espectrofotométricos. Hay diferentes tipos, dependiendo de su capacidad de captación de las longitudes de onda.

Las cámaras RGB y los espectrofotómetros

Los más básicos (por habituales) son las cámaras RGB que tan acostumbrados estamos a usar en cualquier teléfono móvil. Su uso es habitual en industrias de envasado de fruta y hortaliza, como principal método de clasificación de los frutos por color, tamaño y aspecto externo.

Si lo que nos interesa es tener datos sobre la “calidad interna” de los frutos, el sensor a utilizar es un espectrofotómetro, que en lugar de darnos información en 2D como una foto, nos da información de un solo punto (1D) pero es capaz de cuantificar por separado cada una de las longitudes de onda (“colores”) del espectro electromagnético.

Dependiendo de que usemos el rango ultravioleta, el visible o el infrarrojo, conseguiremos información sobre los pigmentos del tejido vegetal, el contenido en agua, carbohidratos, materia seca, etc., presentes en los vegetales, o al menos cerca de su superficie. Para conseguir mayor penetración de la luz bastará con iluminar con mayor potencia y recoger la radiación que atraviesa la muestra de forma adecuada.

El uso de espectrofotómetros en la industria agroalimentaria no es nada nuevo. Desde hace más de 20 años la ciencia ha demostrado la utilidad de estos equipos para estimar de forma no destructiva parámetros de interés para productor y consumidor como el contenido en azúcares de un fruto.

Varias conocidas empresas de maquinaria de “packing” se lanzaron hace tiempo a ofrecer sensores de iQ (internal quality) para complementar las cámaras tradicionales de los calibradores de fruta.

La posibilidad de envasar diferencialmente partidas de frutos más sabrosos es tentadora, pero sin embargo no han tenido amplia implantación en las centrales frutícolas.

¿Los motivos? En parte por su mayor precio que los sensores de tamaño y color convencionales, y en parte debido a que no se trata de tecnología 100% robusta.

Es decir, a diferencia de un tornillo que puede necesitar de vez en cuando un ajuste o apriete… pero poco más, estos equipos requieren revisiones constantes por lo delicado de sus componentes ópticos y electrónicos, pero además porque los modelos matemáticos de estimación de la calidad interna en los que se basan necesitan ser recalibrados con frecuencia para adaptarse a diferentes variedades o climatologías.

Esto no quiere decir que no funcionen bien, sino que simplemente es necesario un mantenimiento más frecuente y una cualificación técnica que no posee todo profesional.

No han tenido amplia implantación en las centrales frutícolas en parte por el precio y que no es una tecnología robusta 100%

Las cámaras multiespectrales e hiperespectrales

La evolución de estas tecnologías son las cámaras multiespectrales e hiperespectrales, de las que tanto se oye hablar últimamente. Las cámaras multiespectrales son capaces de realizar varias imágenes a la vez (de 5 a 10), cada una en un rango de “color” (longitud de onda) elegido específicamente por aportar información sobre un compuesto químico concreto.

Por ejemplo, es frecuente que este tipo de cámara tenga una banda dedicada a cuantificar la clorofila y otra a la materia seca (o su inverso, el contenido en agua), además de los colores primarios.

Por su parte, las cámaras multiespectrales son las más sofisticadas, ya que son capaces de adquirir imágenes 2D de una muestra, y a la vez medir el espectro electromagnético completo en cierto rango (VIS-NIR, p.ej.) en cada uno de los puntos de dicha imagen, con lo cual tenemos potencialmente una enorme información tanto física (forma, color, tamaño) como química (cuantificación de compuestos) de dicho espécimen, de forma muy detallada.

Lo interesante de todos estos sensores ópticos no es tanto su potencial, sino su modo de aplicación. Como se ha comentado, es conocido desde hace años que, a partir de los datos obtenidos con ellos, es posible estimar y cuantificar diferentes parámetros químicos y físicos relacionados con la composición interna de los alimentos, de la maduración de los frutos, de su estado sanitario, realizar predicciones de conservación o incluso predecir el momento óptimo de cosecha, entre otros.

Sin embargo, la evolución que han sufrido en los últimos años ha sido en gran parte debida a que los hemos puesto a pasear, los hemos sacado del laboratorio para usarlos directamente en campo, y acercar su aplicación a las necesidades del agricultor.

La pregunta, en este caso es: ¿hemos tenido éxito? Y la respuesta no es única. Varias empresas comercializan espectrofotómetros portátiles, basados en prototipos creados en centros de investigación de todo el mundo, que están siendo usados para tomar medidas directamente en los cultivos, como es el caso de los viñedos o los frutales.

El uso de espectrofotómetros portátiles en campo está revolucionando el trabajo de los técnicos de campo

También son numerosas las empresas que han montado sensores multiespectrales a bordo de vehículos aéreos no tripulados (UAVs o drones) y los emplean para captar imágenes aéreas sobre los campos cultivados y calcular índices de vegetación como el NDVI, con la ventaja de poder captar imágenes de parcelas grandes en poco tiempo, y con una resolución espacial que principalmente depende de la altura a la que se realice el vuelo.

El término “fenotipado masivo” hace referencia al uso de sensores ópticos (cámaras RGB convencionales en muchos casos) de forma exhaustiva para tomar miles de imágenes de cada planta y extraer matemáticamente parámetros que caractericen su aspecto, y nos ayuden a tomar decisiones agronómicas consecuentes con su desarrollo vegetativo.

Algunos dispositivos ópticos tienen un grado de miniaturización realmente asombroso

Pero en unos y otros caso la efectividad de su aplicación pasa por el mismo cuello de botella: un correcto análisis de los datos y una modelización matemática compleja, que asegure la robustez de las estimaciones.

En realidad, volvemos al principio de la reflexión. La profunda revolución tecnológica que está sufriendo la agricultura, en su camino hacia la agricultura digital, pasando por lo que conocemos como agricultura de precisión, necesita de una adecuada aplicación de la disciplina que más está cambiando el mundo actual: el análisis masivo de datos (big data).

Estos sensores ópticos -y muchos otros, como las redes de sensores inalámbricos desplegados en los campos de cultivo, o las propias máquinas agrícolas con sus sensores y centralitas- generan una enorme cantidad de datos que requieren de un nuevo enfoque en la gestión de la empresa agraria del futuro.

Debemos ser capaces de hacernos “expertos en datos agrarios”, o al menos buscar ayuda en empresas especializadas en ayudarnos con nuestros propios datos.