A viticultura é o setor agroalimentar mais relevante da EU [6], em termos de receitas económicas e de criação de emprego. O vinho é o principal produto de exportação da UE no setor alimentar [6] e Portugal é o 4º país da EU com maior área de produção vinícola [6,7]. Todavia, a viticultura é simultaneamente o setor mais dependente de agrotóxicos uma vez que a videira é altamente suscetível a doenças fúngicas, como o míldio, o oídio ou as doenças do lenho, bem como a pragas, algumas transmissoras de doenças cuja incidência se tem intensificado com as mudanças climáticas [6]. Com efeito, as alterações climáticas têm comprometido severamente a produtividade das plantas, conduzindo a perdas económicas significativas, e os modelos atuais preveem que num futuro próximo os fenómenos climatéricos extremos associados com as alterações climáticas, como ondas de calor ou secas prolongadas, se intensifiquem. A resposta tradicional dos agricultores, no sentido de manterem algum nível de produtividade e qualidade dos produtos, tem sido o recurso a doses cada vez mais elevadas de fertilizantes e corretores do solo, bem como de inseticidas, herbicidas e outros agrotóxicos, que acentuam o ciclo vicioso dos problemas anteriormente referidos. É urgente inverter esta tendência através da implementação de estratégias que alterem o paradigma de atuação, menos dependentes da utilização de agrotóxicos, tornando as práticas agrícolas mais inteligentes, recorrendo a fundamentos até agora inexplorados de Biologia de Plantas. Neste contexto, propomos o desenho de tecnologias inovadoras que integrem a atuação automática e de precisão com estratégias de sensorização, de inteligência artificial (IA) e de digitalização, permitindo o diagnóstico atempado de eventuais distúrbios fisiológicos e o tratamento de doenças, contribuindo para uma produção agrícola mais rentável economicamente e mais sustentável ambientalmente. Apresentamos uma tecnologia disruptiva que permitirá a entrada numa nova era da produção agrícola com particular interesse em viticultura.

            As plantas, enquanto organismos sésseis, maximizaram ao longo de milénios as interações com o meio ambiente físico e biológico, reconhecendo e respondendo a estímulos externos, como radiação, temperatura, campos elétricos e até pragas e doenças. Por outro lado, todos os organismos vivos, incluindo os animais, as plantas e os microrganismos, são capazes de gerar e de manter potenciais elétricos ao nível das membranas celulares que têm papéis fisiológicos relevantes. No entanto, outros fenómenos elétricos podem ser gerados internamente por mecanismos de piezoeletricidade [8], associados com as fibras de colagénio (em animais) ou celulose (em plantas). Estes fenómenos elétricos promovem trocas químicas e uma cascata de eventos biológicos que condicionam a fisiologia e o crescimento das plantas [9]. De igual forma, os microrganismos que interagem com as plantas, como fungos e bactérias, são sensíveis a estímulos elétricos, que podem potenciar o seu crescimento ou comprometer a sua viabilidade [10]. Consequentemente, os fenómenos elétricos em plantas, gerados internamente ou exógenos, têm um papel fundamental na regulação do seu crescimento e na resposta a fatores ambientais, tais como doenças e/ou pragas [11]. Mais ainda, a eletricidade, enquanto princípio de atuação externo, não compromete negativamente a fisiologia da planta, não alterando, por exemplo, as características organoléticas dos frutos ou a sua cor [10]. A presente proposta assenta neste princípio de atuação elétrica sobre as videiras e sobre os microrganismos associados a doenças da vinha, repelindo-os ou comprometendo a sua viabilidade. 

Refs.

[1] Gonçalves, I.M.R et all, Materials Letters, 2019, 255, 126577

[2] Bins-Ely et all, Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, 2020, 23(14), pp. 1041–1051

[3] Bins-Ely, et all, Journal of Periodontal Research, 2017, 52(3), pp. 479–484

[4] PCT/IB2018/058401, F. S. CORREIA PEREIRA SILVA et all

[5] PCT/IB2018/058397, F. S. CORREIA PEREIRA SILVA et all

Pretende-se com o presente projeto desenvolver atuadores inovadores, a serem instalados nas vinhas, no interior do caule e na superfície das plantas, que promovam micro campos e correntes elétricas, no sentido de prevenir e de tratar doenças da vinha, como doenças fúngicas (míldio ou oídio, doenças do lenho) ou bacterianas (flavescência dourada, Xylella fastidiosa), ou mesmo acelerar o seu crescimento, substituindo os agentes químicos e assim reduzindo fortemente o recurso a agrotóxicos, fungicidas e inseticidas.

Pretende-se ainda que estas abordagens de atuação de precisão sejam complementadas com abordagens de sensorização de precisão de parâmetros fisiológicos importantes, como a temperatura e o potencial hídrico, bem como o estado fitossanitário da planta. A informação é enviada por via digital (IoT) e apoio robótico, quando necessário, e integrada, de forma evolutiva por uma central de criação de conhecimento, nomeadamente de inteligência artificial. Pretende-se que todos os procedimentos não violem os quadros de regulamentação nacional e europeu.

Estas abordagens e tecnologias, altamente inovadoras nos conceitos e na sua aplicação, de espetro alargado para pequenos e grandes produtores, de implementação em qualquer declive de terreno, e de elevada precisão na sensorização, na atuação, e na comunicação, ficarão acessíveis à generalidade dos agricultores, após regulamentação, enquadramento legal, sensibilização e formação. São ainda tecnologias amigas do ambiente pois permitem a redução do uso de agrotóxicos, substituindo-os por estímulos elétricos, mas também recorrem a muito baixos níveis de consumo de energia elétrica, de origem solar.

De salientar que a equipa deste projeto (CMEMS) analisou e testou estes conceitos de interações entre os campos elétricos e microrganismos como bactérias, fungos, etc [1-3], validando os conceitos de atuação preconizados no projeto tais como repulsão, eliminação, estimulação, usando estímulos elétricos (potenciais e correntes). Estas atuações permitem ações preventivas e/ou curativas sobre a vinha, quer no interior (caule – doenças do lenho) quer sobre a superfície das plantas (míldio e oídio, por ex.). A mesma equipa desenvolveu tecnologia aditiva 3D multi-material para manufatura dos atuadores multi-funcionais, incorporando materiais piezoelétricos, dos quais resultaram dois pedidos de patente internacionais [4,5], estando outro pedido em fase de submissão. Estes dispositivos e conceitos subjacentes serão usados/extrapolados para as plantas, no âmbito do presente projeto.

Por outro lado, o centro Algoritmi (UM) tem vasta experiência no desenvolvimento de IA (Inteligência Artificial), quer através de algoritmos e/ou de redes neuronais, para aplicações diversas, semelhantes às do presente projeto, incluindo transmissão de dados via wifi.

Pretende-se com o presente projeto desenvolver atuadores inovadores, a serem instalados nas vinhas, no interior do caule e na superfície das plantas, que promovam micro campos e correntes elétricas, no sentido de prevenir e de tratar doenças da vinha, como doenças fúngicas (míldio ou oídio, doenças do lenho) ou bacterianas (flavescência dourada, Xylella fastidiosa), ou mesmo acelerar o seu crescimento, substituindo os agentes químicos e assim reduzindo fortemente o recurso a agrotóxicos, fungicidas e inseticidas.

Pretende-se ainda que estas abordagens de atuação de precisão sejam complementadas com abordagens de sensorização de precisão de parâmetros fisiológicos importantes, como a temperatura e o potencial hídrico, bem como o estado fitossanitário da planta. A informação é enviada por via digital (IoT) e apoio robótico, quando necessário, e integrada, de forma evolutiva por uma central de criação de conhecimento, nomeadamente de inteligência artificial. Pretende-se que todos os procedimentos não violem os quadros de regulamentação nacional e europeu.

Estas abordagens e tecnologias, altamente inovadoras nos conceitos e na sua aplicação, de espetro alargado para pequenos e grandes produtores, de implementação em qualquer declive de terreno, e de elevada precisão na sensorização, na atuação, e na comunicação, ficarão acessíveis à generalidade dos agricultores, após regulamentação, enquadramento legal, sensibilização e formação. São ainda tecnologias amigas do ambiente pois permitem a redução do uso de agrotóxicos, substituindo-os por estímulos elétricos, mas também recorrem a muito baixos níveis de consumo de energia elétrica, de origem solar.

De salientar que a equipa deste projeto (CMEMS) analisou e testou estes conceitos de interações entre os campos elétricos e microrganismos como bactérias, fungos, etc [1-3], validando os conceitos de atuação preconizados no projeto tais como repulsão, eliminação, estimulação, usando estímulos elétricos (potenciais e correntes). Estas atuações permitem ações preventivas e/ou curativas sobre a vinha, quer no interior (caule – doenças do lenho) quer sobre a superfície das plantas (míldio e oídio, por ex.). A mesma equipa desenvolveu tecnologia aditiva 3D multi-material para manufatura dos atuadores multi-funcionais, incorporando materiais piezoelétricos, dos quais resultaram dois pedidos de patente internacionais [4,5], estando outro pedido em fase de submissão. Estes dispositivos e conceitos subjacentes serão usados/extrapolados para as plantas, no âmbito do presente projeto.

Por outro lado, o centro Algoritmi (UM) tem vasta experiência no desenvolvimento de IA (Inteligência Artificial), quer através de algoritmos e/ou de redes neuronais, para aplicações diversas, semelhantes às do presente projeto, incluindo transmissão de dados via wifi.

O presente consórcio beneficiará da elevada multidisciplinaridade e transversalidade da sua equipa, onde as competências biológicas específicas na vinha serão asseguradas pelos grupos de investigação da UM, UTAD, FCUL e ISA, que detêm experiência sólida em fisiologia e biologia molecular de videira e em fitossanidade, de enorme relevância para se validarem as tecnologias propostas. Encontra-se também asseguradas as competências relativas à validação no terreno das tecnologias propostas (CVRTM, Sogenevinus Quintas e Alves de Sousa), de transferência e gestão da propriedade industrial (TecMinho), de endogeneização, customização de soluções e comercialização da tecnologia (Vibeiras-Mota-Engil), assim como aspetos ligados à sensibilização e formação dos agricultores (DRAPN), e enquadramento em quadros regulamentares legais e decisores políticos (InovTechAgro – IPP/ESAE).

Importa salientar o papel dos consultores e empresas internacionais, de dois dos três mais importantes produtores europeus, Espanha e França (INRA, Château Couhins, Instituto de Ciencias de la Vid y del Vino, e Université de Bordeaux), que potenciarão o sucesso científico e tecnológico, mas também avaliarão o potencial de exportação da tecnologia.

O Centro CMEMS (UM) liderará o desenvolvimento dos atuadores e sensores a aplicar nas plantas e nos testes in vitro, para além das ferramentas de controlo e comunicação. O centro Algoritmi desenvolverá as ferramentas de IA (e.g.: algoritmos e redes neuronais). Os centros CBMA/CEB/ISA/FCUL/UTAD liderarão os estudos laboratoriais in vitro e in vivo do efeito dos estímulos elétricos nos microrganismos (fungos/bactérias) e nas videiras. A UTAD comprovará a eficácia e impacto dos tratamentos micro-elétricos e correlacionará os resultados de sensorização com recurso a análises fisiológicas, moleculares e metabólicas, bem como a análise metagenómica para identificação de doenças; O centro CBMA (UM) estudará o impacto dos estimuladores em parâmetros ecofisiológicos e o impacto dos estimuladores na microbiota do fruto; A FCUL liderará a análise metabolómica de frutos de forma a comprovar os efeitos benéficos dos estímulos micro-elétricos na qualidade dos frutos, em plantas envasadas e em condições de campo, de forma integrada com o CEB (UM) permitido estabelecer os efeitos dos tratamentos no frutos e nos produtos finais (vinho); e o ISA estudará a expressão génica que permitirá avaliar a resposta das plantas e dos organismos patogénicos aos estímulos.

A associação CVRTM validará no terreno, em ambiente real, em articulação com as empresas Sogenevinus Quintas e Alves de Sousa, das tecnologias desenvolvidas.

A InovTechAgro definirá a interação com reguladores, decisores e conselheiros políticos;

A DRAPN fará a articulação com as associações e empresários do setor nas ações de divulgação/formação/literacia digital junto dos associados para endogeneização de tecnologias, incluindo as digitais.

A TecMinho fará o trabalho de gestão da propriedade industrial, transferência de tecnologia e de direitos comerciais para a empresa recetora.

A empresa recetora da tecnologia (Vibeiras-Mota Engil) produzirá e comercializará a tecnologia, customizando-a a diferentes tipologias de dimensões e declives de campos de cultivo.

As entidades consultoras (INRA (Fr), Château Couhins (Fr), Instituto de Ciencias de la Vid y del Vino (ES), e Université de Bordeaux (Fr)) partilharão o seu conhecimento em diversos países trazendo know-how e facilitando a eventual exportação de tecnologia a nível global.

O projeto enquadra-se na Agenda e objetivos estratégicos de investigação e inovação 2030, visando consolidar a ligação entre o tecido empresarial e o sistema científico e tecnológico nacional, promovendo uma agricultura com maior rendimento e mais atrativa, sobretudo para jovens de ambos os sexos, mais resiliente, que proteja o ambiente e assegure a sustentabilidade dos recursos água, solo e biodiversidade e contribua para a transição climática.

O projeto permitirá enfrentar o desafio de contribuir com soluções técnicas alinhadas com 2 objetivos operacionais da Iniciativa Emblemática 8 – Agricultura 4.0, nomeadamente a promoção de (LA 8.3.) novas tecnologias que promovam o desenvolvimento da agricultura de precisão, incluindo IoT e aplicações suportadas por IA, automação e exploração (LA 8.4.) de potencialidades da deteção remota e de proximidade (sensores), com recolha de dados sobre a atividade agrícola extensiva, regulamentação e governança no uso dos dados; capacitação em agricultura de literacia digital e inovação na transferência de conhecimento e tecnologia.

Refs.

[6] EIP-AGRI FOCUS GROUP DISEASES AND PESTS IN VITICULTURE MARCH 2019–Final Report

https://ec.europa.eu/eip/agriculture/sites/default/files/eip-agri_fg_diseases_and_pests_in_viticulture_final_report_2019_en.pdf

[7] https://www.portugalfoods.org/downloads/2020/portugalfoods_-_estrategia-internacionalizacao-2019-2021.pdf

[8] Ryszard Wojnar,  G. Ciofani & A. Menciassi (Eds.): pp. 173–185. springerlink.com, 2012

 [9] T. Taghian et all, royalsocietypublishing.org J. R. Soc. Interface 12: 2015,01-53

[10] Efrat Emanuel et all, 2020, 8, 1684; doi:10.3390/microorganisms8111684

[11] H. W. Ellis et all, Science Progress, Vol. 65, No. 260 (Winter 1978), pp. 395- 407