Antenne a microstriscia per il monitoraggio non invasivo dello stress idrico nell'olivo

L'olivo è una delle colture più rilevanti per l'economia e la cultura del bacino del Mediterraneo, non solo per il valore nutrizionale e salutistico dell'olio d'oliva, ma anche per la sua capacità di generare occupazione in aree spesso svantaggiate. Nonostante sia una specie naturalmente resistente alla siccità, periodi di scarsità idrica prolungata possono compromettere seriamente la produzione, rendendo necessario un monitoraggio accurato dello stato idrico delle piante.

Le tecnologie attualmente disponibili per il rilevamento dello stress idrico presentano diverse limitazioni. I sensori basati su sonde invasive, come quelli a riflettometria nel dominio del tempo, richiedono l'inserimento di aghi nei tessuti vegetali, con il rischio di danneggiare i vasi conduttori e aumentare la suscettibilità a infezioni a lungo termine. I sensori capacitivi, dal canto loro, sono estremamente sensibili ai fattori ambientali e all'accumulo di depositi superficiali.

La soluzione proposta dai ricercatori spagnoli Juan Miguel Santos Hidalgo e Yolanda Campos-Roca, descritta in un articolo pubblicato su IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, supera questi limiti grazie a un approccio radicalmente diverso: un'antenna a microstriscia che, posizionata esternamente su un ramo, è in grado di rilevare variazioni del contenuto d'acqua senza alcuna penetrazione nei tessuti.

Come funziona il sensore ad antenna

Il principio di funzionamento si basa sulla misurazione delle proprietà dielettriche del legno, che variano in modo significativo in funzione del contenuto d'acqua. L'acqua, infatti, ha una costante dielettrica molto diversa da quella del legno secco: questa differenza rende possibile rilevare lo stato di idratazione attraverso l'analisi del comportamento elettromagnetico del ramo.

L'antenna realizzata dai ricercatori opera a una frequenza di circa 5,5 GHz ed è stata progettata utilizzando un substrato in FR4, un materiale comune nell'industria elettronica, con uno spessore di soli 1,52 millimetri. Le dimensioni complessive sono contenute: il patch radiante misura 18,48 millimetri di lunghezza per 11,28 millimetri di larghezza. La scelta di lavorare nella banda delle microonde consente di realizzare un sensore di dimensioni ridotte, facilmente applicabile ai rami secondari degli ulivi.

Il sensore opera in modalità riflessione, misurando il coefficiente di riflessione S₁₁, ovvero la quantità di segnale elettromagnetico che viene riflessa dall'antenna. In presenza di un ramo ben idratato, il comportamento dell'antenna è diverso rispetto a quando il ramo è in condizioni di stress idrico.

I test di laboratorio e le simulazioni

Per sviluppare il sistema, i ricercatori hanno innanzitutto effettuato misurazioni ex vivo su campioni di rami di ulivo appena tagliati. I campioni sono stati portati in laboratorio e caratterizzati a tre diversi livelli di umidità: 34%, 22% e 14%. Le misurazioni sono state condotte utilizzando una sonda coassiale a circuito aperto in grado di determinare la costante dielettrica complessa del legno nell'intervallo di frequenze tra 0,20 e 20 GHz.

I risultati hanno mostrato un impatto notevole dell'umidità sulla costante dielettrica apparente, sia nella parte reale che nella tangente di perdita. Questi dati sperimentali sono stati utilizzati per creare modelli tridimensionali del ramo di ulivo nel software di simulazione elettromagnetica CST Microwave Studio. Il modello è stato semplificato in tre strati cilindrici concentrici, corrispondenti alle tre regioni radiali principali del legno: alburno (sapwood), durame (heartwood) e midollo (pith). L'alburno, responsabile del trasporto dell'acqua, è stato modellato utilizzando i dati dielettrici misurati ai diversi livelli di umidità.

Le simulazioni hanno permesso di valutare il comportamento dell'antenna in presenza del ramo, tenendo conto anche di un possibile strato d'aria tra l'antenna stessa e la superficie irregolare della corteccia. È stato considerato uno strato d'aria di 0,2 millimetri, che ha fornito il miglior accordo con le successive misurazioni in vivo.

Il metodo di rilevamento: un confronto tra picchi di risonanza

Dall'analisi dei risultati delle simulazioni, i ricercatori hanno identificato un parametro particolarmente efficace per la diagnosi dello stress idrico. Si tratta della differenza in decibel (dB) tra i livelli del coefficiente di riflessione in corrispondenza del primo e del secondo picco di risonanza dell'antenna.

I dati hanno mostrato un andamento coerente: al diminuire dell'umidità del ramo, la differenza tra i due picchi aumenta. In particolare, i valori medi assoluti osservati sono stati di 18 dB per un'umidità del 14%, 10 dB per il 22% e 8 dB per il 34%. Sulla base di questi risultati, gli autori hanno stabilito una soglia di 9 dB: al di sopra di questo valore, la pianta viene considerata in condizioni di stress idrico e necessita di irrigazione.

La scelta di una soglia conservativa (tra il 22% e il 34% di umidità) è intenzionale: è preferibile irrigare leggermente prima del necessario piuttosto che rischiare di sottoporre la pianta a uno stress prolungato, specialmente in presenza di incertezze dovute a rumore di misura o variabilità ambientale.

Il ruolo delle perdite dielettriche

Un aspetto interessante emerso dallo studio riguarda il meccanismo fisico alla base del metodo di rilevamento scelto. La variazione dell'umidità influisce non solo sulla parte reale della costante dielettrica, ma anche sulla tangente di perdita, che subisce variazioni sostanziali. Mentre lo spostamento in frequenza dei picchi di risonanza potrebbe essere efficace per tracciare le variazioni della parte reale, è la contemporanea variazione della tangente di perdita che produce effetti aggiuntivi, come l'allargamento delle risonanze e una minore definizione dei minimi locali dell'S₁₁.

L'impatto della tangente di perdita sui livelli dei minimi locali è particolarmente significativo, e proprio questo effetto viene sfruttato dal metodo proposto. Questa intuizione ha permesso di sviluppare un criterio di decisione robusto nonostante le variazioni geometriche del ramo.

La verifica sperimentale su piante vive

Dopo aver validato il metodo tramite simulazioni, i ricercatori hanno realizzato un prototipo fisico dell'antenna utilizzando una fresatrice LPKF Protolaser S4 per la produzione del circuito stampato. Il connettore coassiale di alimentazione è un SubMiniature Version A da 50 ohm, che consente il collegamento all'analizzatore di rete vettoriale (VNA) utilizzato per le misurazioni.

L'antenna è stata applicata su un ramo di un ulivo in vaso, di raggio 12,5 millimetri, presso il vivaio dell'Università dell'Estremadura a Cáceres. Il fissaggio è stato realizzato con semplice nastro adesivo, in modo che antenna e ramo si muovessero insieme in caso di vento, rendendo trascurabile l'effetto di moderate raffiche per le misurazioni.

La pianta non è stata irrigata per indurre lo stress idrico, e sono state effettuate misurazioni sia in condizioni normali (umidità misurata del 34%) sia in condizioni di stress (umidità del 18%), quando le foglie mostravano evidenti segni di appassimento. I valori di riferimento sono stati ottenuti con lo stesso misuratore commerciale utilizzato per le misurazioni ex vivo.

I risultati in vivo hanno confermato il metodo di rilevamento: la differenza tra i livelli di riflessione dei due picchi di risonanza è risultata di 4,8 dB a umidità del 34% e di 12,5 dB a umidità del 18%, rispettivamente al di sotto e al di sopra della soglia di 9 dB stabilita.

Robustezza del metodo al variare delle dimensioni del ramo

Un aspetto cruciale per l'applicabilità pratica del sensore è la sua capacità di funzionare correttamente su rami di dimensioni diverse. I ricercatori hanno condotto simulazioni variando il raggio del ramo tra 12,5 e 30 millimetri, mantenendo costante il rapporto tra le diverse regioni del legno.

I risultati hanno dimostrato che il metodo di rilevamento rimane valido per tutte le dimensioni considerate. Per un'umidità del 22%, la differenza tra i picchi è risultata compresa tra 9,7 e 13,6 dB, sempre al di sopra della soglia di 9 dB. Per un'umidità del 34%, invece, la differenza è risultata compresa tra 2,2 e 5,9 dB, sempre al di sotto della soglia.

Questa insensibilità alle variazioni geometriche è particolarmente importante per un'applicazione pratica, dove i rami degli ulivi presentano dimensioni e forme variabili. La scelta del parametro di decisione basato sulla differenza di livello dei picchi si è rivelata robusta proprio rispetto a questo tipo di variabilità.

Vantaggi rispetto alle tecnologie esistenti

Il sensore proposto si colloca in un panorama tecnologico in cui diverse soluzioni sono già state proposte, ma nessuna offre il giusto compromesso tra costo, affidabilità e non invasività.

I sensori a fotoni, che misurano l'attenuazione della radiazione attraverso le foglie, sono vulnerabili alle condizioni meteorologiche avverse come vento forte o pioggia intensa, che possono danneggiare o staccare le foglie stesse. I sensori capacitivi montati sul tronco richiedono elettrodi a contatto e sono suscettibili alle variazioni di diametro della pianta e ai fattori ambientali.

I sensori a risonanza magnetica, sebbene accurati, sono troppo costosi per essere utilizzati in campo aperto. La riflettometria nel dominio del tempo, pur considerata non distruttiva, richiede l'inserimento di sonde metalliche che possono compromettere la conduttività vascolare della pianta.

L'antenna a microstriscia, al contrario, è un dispositivo a basso costo, facilmente producibile in grandi quantità e non richiede alcuna penetrazione nei tessuti. Il suo posizionamento sul ramo, anziché sul tronco o sulle foglie, offre una maggiore stabilità e protezione dagli agenti atmosferici, e consente un accesso più diretto all'alburno, il tessuto responsabile del trasporto dell'acqua.

Prospettive future e applicazioni nell'Agricoltura 4.0

I risultati ottenuti aprono la strada a sviluppi significativi nel campo dell'agricoltura di precisione. I ricercatori intendono completare il sensore con una circuiteria di lettura e comunicazione a basso costo, che consentirebbe al dispositivo di operare in modo indipendente dall'analizzatore di rete vettoriale attualmente utilizzato.

Un prototipo completamente funzionale potrebbe essere integrato in un'architettura Internet delle Cose (IoT), fornendo avvisi in tempo reale agli agricoltori o alimentando sistemi di gestione automatica dell'irrigazione. Questa integrazione consentirebbe di ottimizzare l'uso delle risorse idriche, irrigando solo quando effettivamente necessario sulla base dello stato di salute della pianta, contribuendo alla sostenibilità ambientale e alla riduzione dei costi di produzione.

Il concetto, inoltre, può essere esteso ad altre specie arboree dopo un'appropriata calibrazione specifica per ciascuna pianta. Data la crescente frequenza di eventi climatici estremi, lo sviluppo di sensori per il monitoraggio dello stress idrico rappresenta una priorità per l'agricoltura del futuro.

Il lavoro di Santos Hidalgo e Campos-Roca dimostra come tecnologie sviluppate originariamente per le telecomunicazioni possano trovare applicazioni innovative nel settore agroalimentare, contribuendo a rendere l'agricoltura più intelligente, sostenibile e resiliente di fronte alle sfide del cambiamento climatico.