Las nuevas tecnologías están llegando a todos los sectores productivos, incluido uno de los más antiguos a los que se dedica el ser humano para subsistir. Hablamos de la agricultura, que en los últimos años ha vivido una auténtica revolución con la llegada de nuevas herramientas, métodos y dispositivos para aumentar la productividad y ahorrar tanto agua como fertilizantes. En España muchos de estos sistemas se han centrado en acabar con la sequía, como el invento para regar el campo gastando hasta un 70% menos de agua, pero el futuro parece estar en manos de la agricultura inteligente o basada en datos.

Ahí entra en juego la ayuda de los drones, que pueden detectar plagas con gran precisión, y de sensores de humedad, por ejemplo, que permiten gastar menos agua y optimizar los cultivos. Sin embargo, todavía hay mucho margen de mejora, y en eso trabajan investigadores como los de la Universidad de Tohoku, en Tokio (Japón). Kaori Kohzuma y Ko-ichiro Miyamoto han publicado un estudio en Sensing and Bio-Sensing Research en el que detallan su sensor espectral, que se coloca bajo las hojas de las plantas y detecta fácilmente si están creciendo o muriendo.

"Los métodos tradicionales pueden funcionar bien para algunos fines, pero son difíciles de manejar y bastante caros", explica Kohzuma en un comunicado de prensa de la universidad. "Para controlar continuamente los pequeños cambios, necesitábamos una nueva solución". Su propuesta pasa por desarrollar este sensor pequeño, inalámbrico y de bajo coste, capaz de detectar en tiempo real los cambios fisiológicos de las plantas en respuesta a los cambios ambientales. Eso permitiría a los agricultores, sin hacer un gran desembolso, realizar diagnósticos continuos y reaccionar rápidamente para salvar los ejemplares antes de que aumente su deterioro.

Cambios ambientales

El cambio climático no sólo consiste en el aumento de las temperaturas a nivel global. El calentamiento del planeta afecta directamente a la productividad agrícola, ya que se producen cada vez con más frecuencia fenómenos meteorológicos extremos, desde lluvias torrenciales como la que ha tenido trágicas consecuencias en Valencia hasta sequías persistentes como las que siguen padeciendo varias zonas de España.

Estos fenómenos, que causan tanto exceso como escasez de agua, provocan el estrés hídrico en las plantas, que se resienten y producen menos frutos o directamente mueren. La tecnología que se utiliza actualmente en el campo para tener la máxima cantidad de información sobre la salud de las plantas es fundamental, pero insuficiente.

Por un lado, los drones pueden vigilar grandes extensiones de terreno, pero están pensados para obtener datos a nivel superficial y necesitan ajustes continuos para poder hacer un seguimiento de la salud de los cultivos durante largos periodos de tiempo. Otros equipos, como los sensores diseñados para captar los cambios en ejemplares concretos, suelen requerir la presencia de personal para la instalación y comprobación manual de cada uno de ellos.

Lo que proponen Miyamoto y Kohzuma es un pequeño dispositivo que se instala directamente en el envés de las hojas de las consideradas como "plantas centinela", situadas en zonas concretas del campo.

Estos dispositivos cuentan con dos partes bien diferenciadas. Por un lado está el cabezal del sensor espectroscópico, capaz de detectar los cambios de color de las hojas, que es el que se fija a la parte inferior de la hoja para evitar que bloquee la luz solar. Eso permite eliminar el trabajo posterior de corrección, ya que hay una distancia constante entre el cabezal del sensor y la muestra.

Para que funcione correctamente, el cabezal se conecta por cable con la otra parte: una unidad de control cercana, encapsulada en un compartimento resistente al agua en el que se encuentran una batería de litio, una antena wifi y un microprocesador Arduino, además de otros componentes electrónicos.

Para saber si las hojas cambian de color, el dispositivo cuenta con dos pequeñas luces LED, que se iluminan brevemente a intervalos regulares. Un fotodiodo es el encargado de analizar el espectro de luz reflejada, y también de hacer lecturas con los LED apagados, para poder obtener el dato preciso de la luz solar que llega a la hoja.

El sensor se encarga de comparar ambas mediciones para determinar cuánta luz absorbe la hoja y, por tanto, su coloración, uno de los principales indicadores de la salud de la planta. Una vez obtenidos esos datos, gracias a la conexión wifi se transfieren a la nube, y el usuario puede acceder a una plataforma para consultar y ver en tiempo real la evolución de las "plantas centinela", indicativas de la salud general del cultivo en cuestión.

Pese a su reducido tamaño, la batería puede alimentar el sensor durante más de un mes, lo que permite tener una gran cantidad de datos para evaluar correctamente el estado de las plantas y sus necesidades.

"Los agricultores no tienen tiempo de controlar manualmente cada planta. Este sensor es capaz de proporcionar lecturas precisas de lo que ocurre en tiempo real", señala Kohzuma. Así, pueden reaccionar en consecuencia ante las zonas en las que las plantas experimentan altos niveles de estrés".

Pruebas de campo

Para comprobar la eficiencia y el desempeño de estos sensores, el equipo de la Universidad de Tohoku comparó sus resultados con los de un espectrómetro comercial en unas 90 hojas de 30 especies de plantas distintas. Sus lecturas fueron similares, demostrando su capacidad para distinguir con precisión los colores en siete de las ocho longitudes de onda detectables.

Para llevar el experimento un paso más allá, los ingenieros japoneses decidieron hacer un segundo ensayo al aire libre y comprobar el rendimiento de sus sensores en condiciones reales. Para ello, fijaron varios de ellos a las hojas de abedules dorados en el jardín experimental de la Universidad de Tokio.

Con lecturas automatizadas cada dos horas durante dos semanas, coincidiendo con el inicio de la estación otoñal, los investigadores comprobaron cómo sus dispositivos fueron capaces de registrar todos los cambios de coloración desde el verde hasta el marrón pasando por distintos tonos de amarillo. Así comprobaron de primera mano la disminución de la clorofila, uno de los principales indicadores del estrés de las plantas, y la fluctuación de la respuesta de cada planta a la intensidad de la luz solar.

"Este sensor asequible es una herramienta prometedora para controlar con precisión la salud y el estrés de las plantas a través del color de las hojas y los datos de reflexión de la luz. Su bajo coste permite colocar varios sensores en distintos lugares, creando una red para la vigilancia simultánea en muchos puntos", concluye Kohzuma.