En el desarrollo del proyecto se utilizarán los cultivos de remolacha (alto valor), maíz y cereal de invierno (estratégicos) para las pruebas y validación del sistema

El proyecto WeLASER responde a la convocatoria del programa Horizonte 2020 para reducir el uso de herbicidas y de este modo paliar los efectos secundarios sobre el medioambiente, la fauna y la salud, pero al mismo tiempo manteniendo o mejorando la productividad de las cosechas.

La Unión Europea ha evaluado y regulado los herbicidas para uso comercial, pero considera que aún hay margen de mejora para reducir nuestra dependencia de los herbicidas al tiempo que se salvaguarda la competitividad. Por esta razón, ha lanzado, dentro de su programa Horizonte 2020, una convocatoria de proyectos con el título de “Alternativas al uso de plaguicidas e integración de métodos saludables”. El proyecto WeLASER responde a esta convocatoria para reducir el uso de herbicidas y de este modo paliar los efectos secundarios sobre el medioambiente, la fauna y la salud, pero al mismo tiempo manteniendo o mejorando la productividad de las cosechas.

Sin embargo, WeLASER propone la irradiación individual de la planta a través de una fuente de láser permitiendo el tratamiento térmico (con un coste energético moderado) y selectivo de plantas individuales, minimizando los efectos directos sobre las plantas de cultivo y sobre la vida animal. De este modo, se pretende no solo reducir sino eliminar el uso de herbicidas aplicando tecnología láser de alta potencia concebido para aplicaciones médicas en la destrucción de malas hierbas en agricultura. El proyecto fusionará diferentes tecnologías para construir, evaluar y comercializar un equipo de desmalezado de precisión basado en la irradiación controlado de fuentes láser de alta potencia y sistemas móviles autónomos. Tal sistema erradicaría los riesgos para la salud y los efectos adversos ambientales asociados con el uso de herbicidas, pero, además, contribuiría a mejorar la productividad y la competitividad de la gestión de malas hierbas.

Para conseguir la irradiación de las malas hierbas, se desarrollará un sistema de visión inteligente que discriminará las plantas de cultivo de las malas hierbas, e identificará la posición de los puntos sensibles de crecimiento (meristemos) de éstas. Con esa información, un escáner dirigirá el láser sobre los meristemos aplicando dosis suficientes para quemarlos, destruyendo así las malas hierbas.

Para desplazar este sistema por todo el campo de cultivo, se dispondrán los diferentes componentes sobre un robot móvil autónomo. Además, se utilizarán técnicas de inteligencia artificial, internet de las cosas (IoT) y computación en la nube con el objetivo final de encontrar una solución de contaminación nula.

Para cumplir con este objetivo general, se han definido los siguientes objetivos específicos:

• Desarrollo de un láser de fibra dopado con tulio, de tamaño reducido y de alta potencia.

Basada en la tecnología de fuentes láser para tratamientos médicos, se desarrollará una nueva fuente que emita a 2 µm logrando una potencia de salida láser de 500 W para aplicación de dosis letales según la especie vegetal y su crecimiento. El objetivo es destruir térmicamente al menos el 90% de las malas hierbas detectadas cuando el rayo láser incide con precisión sobre los meristemos de las malas hierbas.

• Desarrollo de un sistema de detección basado en técnicas de inteligencia artificial (adquisición de imágenes y procesamiento de datos) para determinar las posiciones de los meristemos de las malezas.

Este sistema de detección discriminará las malezas de los cultivos en diversas condiciones ambientales, proporcionando una identificación rápida de las posiciones de los meristemos (la eficiencia dependerá de la variedad y densidad de la planta). Se basará en un sistema de visión estéreo con compensaciones espaciales debido al movimiento del sistema. El objetivo es identificar al menos el 90% de las malezas y detectar al menos el 90% de los meristemos de estas malezas con una precisión de ± 3 mm.

• Construcción de una herramienta (escáner) para dirigir la fuente láser sobre los meristemos de las malas hierbas.

El sistema gestionará las condiciones ambientales y las vibraciones mecánicas para reducir su influencia en la precisión del apuntamiento de los meristemos. El objetivo es apuntar al menos al 90% de los meristemos de las malas hierbas detectadas.

• Configuración de un vehículo autónomo seguro, basado en una plataforma móvil agrícola que ya se ha utilizado en diferentes aplicaciones, para desplazar el sistema de deshierbe con precisión por todo el campo de trabajo.

La plataforma estará formada por un vehículo compacto de orugas (locomoción diferencial) con un sistema de potencia híbrido capaz de trabajar entre 8 h (totalmente eléctrico) y 24 h (con motor de explosión). El vehículo estará equipado con sensores y capacidades inteligentes para operar de forma autónoma siguiendo trayectorias tanto pre-calculadas como generadas en tiempo real con una precisión de ± 1,5 cm a 12 km / h.

• Conseguir un impacto mínimo del equipo de deshierbe en los cultivos, el medioambiente y la salud.

Los objetivos son (i) aumentar la productividad de los cultivos en aproximadamente un 10% en comparación con los sistemas convencionales, (ii) reducir el efecto de la compactación del suelo debido al tráfico mecánico y (iii) limitar la contaminación atmosférica y del suelo gracias a la reducción de contaminantes con respecto a los sistemas convencionales en un 30-50%.

• Desarrollo de un gestor inteligente de navegación para coordinar todos los sistemas involucrados en el equipo de deshierbe de precisión que permita a los agricultores definir, ejecutar y supervisar sus tareas de manera simple, confiable y robusta.

El controlador se basará en técnicas de inteligencia artificial apoyadas en tecnología de Internet de las cosas y metodologías de computación en la nube para coordinar el sistema de deshierbe y ayudar al operador (agricultor) a (i) planificar actividades agrícolas eficientes y sostenibles, (ii) disminuir los insumos agrícolas (herbicidas, combustible, etc.), (iii) recopilar datos operativos y hacerlos accesibles para una mejor gestión de los cultivos y (iv) almacenar / acceder al conocimiento agrícola disponible en la nube.

• Asegurar la viabilidad comercial y la explotación del sistema WeLASER propuesto mediante la implementación de un Enfoque Multi-Actor.

El proyecto seguirá una estrategia de múltiples actores a través de la participación de diferentes partes interesadas (investigadores, industria de maquinaria, servicios de extensión, grupos de proyectos EIP-AGRI, ciudadanos, agricultores / usuarios finales, inversores, asesores, etc.) en el diseño, desarrollo, implementación, evaluación, comunicación, difusión, aceptación social, futura financiación y marketing. El objetivo es hacer que el sistema de deshierbe de precisión esté disponible comercialmente 3 años después del final del proyecto.

Como cultivo de alto valor se ha seleccionado la remolacha azucarera. Este cultivo es muy importante en la Unión Europea ya que somos el segundo consumidor mundiales de azúcar (y el tercer productor). Además, la remolacha consume mucho herbicida puesto que necesita varios tratamientos durante su crecimiento, lo que ayuda a mejorar las prestaciones del sistema propuesto frente a los tratamientos convencionales. Como cultivos estratégicos en Europa se han seleccionado el maíz y los cereales de invierno. El maíz puede necesitar hasta 3 tratamientos por cosecha y los cereales de invierno están presentando problemas severos con malezas que empiezan a ser resistentes a los herbicidas. La zanahoria y la patata son otros cultivos en los que se centrará el consorcio si los recursos lo permiten en la fase final del proyecto.

Para llevar a cabo los desarrollos técnicos, la solución propuesta en WeLASER se divide en cuatro secciones (Si), cada una formada por una serie de sistemas, tal y como refleja la Figura 1.

S1 - Percepción de malezas-meristemos: Esta sección contiene el sistema de visión (cámaras y computador), con los algoritmos de discriminación de malezas/cultivos y detección de los meristemos de las malezas.

S2 - Gestor inteligente de navegación: esta sección consta del sistema de soporte de decisiones agrícolas, el planificador, el supervisor, los dispositivos IoT y el sistema de computación en la nube.

S3 - Vehículo autónomo: esta sección consta de la plataforma móvil autónoma y su sistema de seguridad (Fig 2).

S4 - Herramienta de deshierbe basada en láser: esta sección contiene la fuente láser de alta potencia y el escáner láser.

Fig. 2. Plataforma móvil (AGREENCULTURE, Francia).

A0 - El equipo se despliega en el campo.

A1 - El sistema de visión de la sección S1 toma fotografías en un área pequeña frente al robot. Téngase en cuenta que la cámara está instalada en la herramienta de deshierbe S4. Si las imágenes contienen plantas, los cultivos se discriminan de las malezas mediante el sistema de discriminación de malezas/cultivos. A continuación, el sistema de detección de meristemos de malezas identifica y localiza los meristemos de las malezas detectadas.

A2 - Esta información se envía a la sección S2 - “Gestor inteligente de navegación” que elaborará los comandos para gestionar y coordinar (i) la posición del vehículo autónomo (S3), (ii) la posición del escáner láser (S4) y (iii) el disparador de la fuente láser de alta potencia (S4).

A3 - Los comandos para controlar la posición del vehículo se envían al controlador del vehículo.

A4 - Los comandos para controlar la posición de la herramienta de deshierbe se envían al controlador de la herramienta.

A5 - El láser de alta potencia se dirige a los meristemos de las malas hierbas.

A6 - Este proceso se repite hasta que se completa el final de la tarea.

WeLASER es un proyecto multidisciplinar que demanda expertos en una amplia gama de temas, que incluyen sistemas de percepción, inteligencia artificial, robótica, agricultura, sistemas globales de navegación, tecnologías de la información, ciencias sociales, negocios, etc. Para cubrir estos aspectos multidisciplinares y comerciales, el consorcio cuenta con:

• Usuarios finales:

Representados por un gran agricultor neerlandés, que gestiona unos 500 ha de campos de cultivo, y una asociación de agricultores (COAG, España), que difundirá los resultados del proyecto a miles de agricultores y recopilará sus sugerencias.

• Fabricantes de equipos:

PYMES que aportarán su experiencia en la comercialización de equipos (fuentes láser, vehículos agrícolas).

• Expertos en ciencias sociales y ambientales:

Centros de investigación que garantizarán la aplicación de la estrategia de método multi-actor.

• Investigadores e ingenieros:

- Especialistas en tecnologías láser.

- Investigadores en sistemas de visión por IA para agricultura de precisión.

- Especialistas en robótica y vehículos autónomos.

- Expertos en IoT y computación en la nube.

• Economistas:

Centro universitario que aporta su experiencia en economía para la agricultura y se encarga del plan de explotación.

• PYMES:

Empresas capaces de prestar servicios agrícolas directamente a los agricultores.

• Agrónomos y expertos en agricultura de precisión.
• Proveedores de servicios: Empresas capaces de brindar servicios en agricultura de precisión.

Este perfil de consorcio se ha conseguido con la participación de 10 socios procedentes de 8 países de la Unión Europea, cada uno de ellos aportando experiencia en diferentes áreas.

Es intención del consorcio tener el sistema disponible comercialmente en 6 años (septiembre de 2026). Para ello se establecen dos fases. La primera fase, de 3 años, consiste en el diseño, desarrollo, experimentación y validación del sistema que se llevará a cabo dentro del proyecto WeLASER. En la segunda fase, también estimada en 3 años, se solventarán los problemas de homologación, industrialización, comercialización, introducción en el mercado y aceptación social del sistema que se fundamenta en robótica y sistemas láser, tecnologías que aún despiertan ciertos recelos en algunos sectores de la población.