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PhenoBot: Fotónica Inteligente para Fenotipagem de Culturas Agroalimentares (ID: 190 )
Coordenador: INESC TEC - INESC Tecnologia e Ciência
Iniciativa emblemática: 8. Agricultura 4.0
Data de Aprovação: 2022-03-07 Duração da iniciativa: 2025-12-31
NUTS II: Norte NUTS III: Douro
Identificação do problema ou oportunidade
Compreender o impacto das práticas agrícolas e das alterações climáticas na fisiologia e metabolismo da planta é, ainda, uma problemática para a qual a Agricultura de Precisão (AP) tem poucas respostas. Dominada pela ciência dos dados, a AP não privilegia na sua abordagem a fisiologia da planta ‘in-situ’ e ‘in-vivo’, ignorando as complexas interações que ocorrem desde o crescimento da planta até à sua colheita no contexto solo-clima-planta. Com efeito, a transferência útil do conhecimento entre variedades, tipo de solo e clima em particular não é diretamente aplicável ou transferível para outras áreas ou variedades de cultivo - ou mesmo entre diferentes anos da mesma parcela - permitindo apenas avaliar eventos passados. Acresce que as abordagens baseadas apenas na ciência de dados ou inteligência artificial, não permitem uma integração direta das inovações desenvolvidas 'in-vitro' em biotecnologia das plantas, ou sequer extrair um diagnóstico eficiente dos stresses bióticos e abióticos. Limitada a este contexto o atual modelo de AP não aporta valor para o desenvolvimento de produtos farmacêuticos mais eficientes e sustentáveis na deteção e tratamento precoce de infeções nas plantas ou para o desenvolvimento de diagnósticos nutricionais e hídricos rigorosos. De igual modo, é ainda pouco eficiente para assimilar o conhecimento e sua implementação no terreno das novas tecnologias desenvolvidas a nível laboratorial. Assim, só com AP centrada na monitorização da ação dirigida à fisiologia e metabolismo da planta é possível: i. Efetuar um diagnóstico molecular de precisão mediante a medição dos metabolitos chave 'in-vivo' e 'in-situ' em alto-débito; ii. Utilizar o fenótipo expresso pela planta para avaliar o seu estado fisiológico; iii. Estudar padrões fisiológicos mediante as diferentes condições de produção e práticas agronómicas (fenotipagem); iv. Integrar os dados climáticos e práticas culturais (ex. nutrição, rega) com o metabolismo da planta e o fenótipo expresso; v. Assegurar uma relação direta entre estudos 'in-vitro' e estudos de campo, utilizando dados de metabolismo e espaço de fénotipos obtidos por modelos 'in-silico' à escala genómica; vi. Assegurar a implementação de práticas agrícolas de precisão com alvos metabólicos específicos mediante a análise das quantificações 'in-vivo' e diagnóstico utilizando modelos 'in-silico' da planta (biologia de sistemas); e vii. Monitorizar e prever a evolução fisiológica das plantas e maturação dos frutos, por forma a assegurar a produtividade e qualidades desejadas. O caráter estratégico e urgente a este conjunto de desafios, tem sido abordado pelo INESC TEC ao longo dos últimos anos, muito particularmente no setor vitivinícola. A tecnologia “Metbots” é o culminar de 15 anos de avanços científicos em fotónica, inteligência artificial e robótica que utiliza um dispositivo de baixo custo, no ponto de medição (POM) por espectroscopia com inteligência artificial com auto-aprendizagem. Contando com o impulso de projetos científicos nacionais (FCT) e europeus (H2020), demonstrados em nível de maturidade 6 (TRL6), a plataforma robótica “Metbots” é capaz de efetuar a quantificação metabolómica 'in-situ' e 'in-vivo' da planta ao nível: • foliar (clorofilas a e b, feofitinas a e b, antocianinas, carotenóides, azoto, potássio, fósforo, enxofre, cloro, boro, ferro, manganês, zinco, cobre e potencial hídrico de base); • frutos (clorofilas a e b, feofitinas a e b, antocianinas, carotenóides, glucose e frutose, ácidos málico e tartárico, acidez total, taninos, álcool provável, azoto amoniacal, azoto amino e azoto assimilável) • solo (azoto, potássio, fósforo, enxofre, cloro, boro, ferro, manganês, zinco, cobre). Esta tecnologia é a base para uma AP avançada, onde a quantificação molecular de alto-débito permite a monitorização e controlo da fisiologia da planta em grandes extensões de cultivo. É, também, o ponto de partida para o projeto PhenoBot.
Breve resumo da iniciativa a desenvolver
Portugal é um dos mais importantes exportadores europeus de vinho e pêra rocha a nível quantitativo, qualitativo e de diversidade. Com uma área ocupada de aproximadamente 194 mil ha cultivados de vinha, Portugal posiciona-se no 10º lugar como maior exportador de vinho (State of the art of the Vitiviniculture sector – OIV 2020, publicado em 2021), com exportações que apresentam um crescimento de 5% ao ano. Nos anos de 2020 e 2021 foram transacionados valores recorde de 849M€ e 892M€, aproximando-se de uma contribuição record de 0,5% para o PIB até 2024. A zona da Pera Rocha Oeste DOP concentra cerca de 90% da área nacional de pomares de pereiras com uma área de produção de cerca de 12 100 ha e uma capacidade potencial de produção de cerca de 300 mil toneladas ano. Este setor gera cerca de 120 a 130 milhões de euros, dos quais cerca de 90 milhões provêm da exportação. A pera rocha é o fruto com maior impacto positivo na balança de transações e o maior volume de negócios. Em realidades diferenciadas, o setor da viticultura e da fruticultura são um exemplo nacional de alavancagem positiva nos mercados mundiais, em grande parte devido à implementação de novos processos e tecnologias de AP, que têm permitido aumentar a qualidade e assegurar uma produção estável. Também pela sua relevância económica para o país, foram os setores escolhidos para disseminar e replicar os resultados esperados para o projeto PhenoBot.O projecto PhenoBot tem como objectivo principal a implementação de um sistema de apoio á decisão baseado na resposta fisiológica da planta, usando a tecnologia 'Metbots'. Esta plataforma robótica será complementada com um novo dispositivo POM GC-MS para monitorização dos metabolitos voláteis 'in-vivo' e 'in-situ'. Focando-se na engenharia e desenvolvimento de produto, o PhenoBot permitirá capacitar as PMEs do sector da viticultura e fruticultura com os métodos mais avançados a nível mundial para o diagnóstico, controlo e gestão da produtividade em AP, adaptados as novas realidades das soluções de biotecnologia de plantas como resposta científica e tecnológica aos desafios complexos da sustentabilidade e alterações climáticas.A aferição dos objetivos do projeto é dividida nos seguintes tipos de indicadores de impacto: i.Maturidade e transferência tecnológica: resultantes dos processos de certificação de resultados, de quantificação e testes de qualificação dos sistemas em ambiente real (ex. limites de deteção, erro total de quantificação, facilidade de utilização e adaptação no terreno, registo de avarias e capacidades mínimas); ii. Eficiência de implementação: análise custo/benefício e facilidade de implementação (ex. tempo de implementação, formação de recursos humanos, melhorias nas intervenções e indicadores de qualidade/produtividade); iii. Valorização do setor: melhoria processual e aumento da qualidade, ganhos de eficiência em termos de rega, uso de fito-farmacêuticos, fertilização e complexidade das intervenções; iv. Sustentabilidade: compreender e quantificar o impacto de re-adaptar medidas de curto e longo prazo às práticas agrícolas, adaptadas à interação clima-solo-planta, baseados na resposta metabólica da planta ao longo do seu ciclo de vida, otimizando a relação produtividade/qualidade no ecossistema. As mais-valias do projeto PhenoBot estendem-se ainda à abordagem metodológica que propõe. Aliada à implementação em campo de métodos de diagnóstico para a gestão da produtividade e qualidade em AP baseados na fisiologia da planta, haverá ainda uma forte componente de comunicação, divulgação de boas práticas e formação que aproximarão outras fileiras dentro do setor vitivinícola e frutícola. Trata-se de um projeto totalmente alinhado com os novos desafios colocados pelas alterações climáticas e sustentabilidade, vertidos em ação pela Agenda de Inovação para a Agricultura 2020-2030, pelo Pacto de Energia e Clima 2030 e pelas atuais linhas orientadoras da Política Agrícola Comum.
Áreas de Trabalho e responsabilidades de cada parceiro
Seguindo uma estratégia de patamares de níveis tecnológicos, o projeto está dividido em 3 grandes áreas de trabalho: i. Engenharia de desenvolvimento de produto (TRL 6 - 8): conceção e construção de hardware e software, implementação das características estáveis certificadas para a sua evolução: eletrónica, ótica, firmware, visão máquina e posicionamento, navegação, processamento e inteligência artificial para espectroscopia e bases de dados de conhecimento. ii. Testes de campo para o desenvolvimento e qualificação dos sistemas (TRL 6 - 8): determinar a eficiência das soluções implementadas em testes de campo e eventuais ações de melhoria durante a fase de desenvolvimento, certificar os resultados das quantificações metabólicas ‘in-vivo’ e aferir a importância da informação obtida para a implementação de novas práticas em agricultura de precisão. iii. Transferência e implementação da tecnologia (TRL 8): transferência de tecnologia para as PMEs e capacitar os seus quadros através da participação nos testes de campo de desenvolvimento e qualificação, assim como no seu próprio caso de estudo de implementação. O PhenoBot integra os seguintes parceiros: INESC TEC (Porto): Gestão do orçamento, evolução das tarefas, coordenação de atividades, reuniões e documentação associada à execução, acompanhamento e gestão do projeto; desenho e construção de protótipos; hardware e software de automação; sistemas IoT; processamento e inteligência artificial (espectros, posicionamento, navegação); robótica e integração de sistemas (robot, braço, POM) e aferição do nível de maturidade tecnológica do sistema e respetivos componentes. UNIVERSIDADE DO PORTO: Atividades de coordenação e execução de testes ‘in-vitro’ química analítica - quantificação metabólica laboratorial; ciência e engenharia agronómica de apoio ao desenvolvimento experimental de casos de estudo. ADVID/CoLAB VINES&WINES (Vila Real): Atividades de classificação tecnológica (Região do Douro); desenho e implementação de experiências de campo ‘in-situ’ definição de métricas e objetivos para a capacitação dos sistemas; certificação de resultados analíticos e usabilidade do sistema; capacitação de recursos humanos para PME; demonstrações ‘in-situ’ com casos de estudo. COTHNN - Centro Operativo e Tecnológico da Hortofrutícola Nacional (Alcobaça): Planeamento de experiências em testes de campo; participação na capacitação de sistemas; formação técnica e capacitação tecnológica de PMEs. INIAV (Pólo de Inovação de Dois Portos e Torres Vedras): Atividades de classificação tecnológica (Região do Oeste); desenho e implementação de experiências de campo ‘in-vivo’ definição de métricas e objetivos para a capacitação dos sistemas; certificação de resultados analíticos e usabilidade do sistema; capacitação de recursos humanos para PME; demonstrações ‘in-sito’ com casos de estudo. DUORUM VINHOS, S.A., FRANCISCO RODRIGUES (Jovem Agricultor) e PME’s do Setor: Acompanhamento e participação em testes de capacitação; desenho e implementação de experiências de campo ‘in-situ’; apoio na definição de métricas e objetivos para a capacitação dos sistemas; incorporação da tecnologia com formação de recursos humanos e testes de usabilidade; coordenar e desenvolver campos de testes de implementação da tecnologia; Apoiar na elaboração de caderno de especificações e métodos operacionais; apoiar na implementação da tecnologia em casos de estudo operacionais das PME participantes. SPIN.WORKS, S.A (Lisboa): Suporte de conhecimento para a inteligência artificial e processamento espectral. Ficará ainda a seu cargo a infraestrutura IT, as atividades de bases de dados e sistemas de geo-referenciação. Assegurará as interfaces com utilizador.
Todas as entidades estarão envolvidas na elaboração de cadernos de especificações e métodos operacionais, nas sessões de apresentações técnicas e demonstrações 'in-situ' e respetivas ações de divulgação e disseminação do projeto. O PhenoBot será desenvolvido em regiões NUT II e NUT III do Douro e Oeste.
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