Inteligencia artificial para saber si las ciruelas están maduras

Hasta no hace mucho tiempo era habitual ver a los agricultores siempre con un ojo en el cielo. Años de observación y de escuchar a sus antecesores les daban el poder de predecir la meteorología. Ahora es raro que haya una persona sin un teléfono en sus bolsillos que le aporte en segundos información sobre cualquier cosa. Por supuesto ya hay infinidad de aplicaciones móviles, no sólo que predicen el tiempo, sino también que indican cuál es la dosis más adecuada de fertilizante, cuándo regar la explotación o incluso que predicen la cosecha, entre muchas otras.

Los agricultores y ganaderos están cada vez más profesionalizados y han incorporado estas herramientas que permiten reducir riesgos en su negocio. En esta línea trabaja el Grupo de Evolución Artificial (GEA) de la Universidad de Extremadura. Sus miembros investigan para resolver problemas reales y para obtener resultados que puedan aplicarse con facilidad en la práctica. Actualmente están finalizando una aplicación que permitirá saber el estado de maduración y la variedad de las ciruelas antes de recolectarlas.

Se trata de un proyecto de investigación conjunto, llevado a cabo entre el ya mencionado grupo GEA y Cicytex, cuyos técnicos se encargan del cuidado de la parcela de ensayo –situada en La Orden-Valdesequera– y de los análisis de laboratorio. En cambio, los profesores de la UEx se ocupan de la creación y la implementación de los algoritmos basados en la inteligencia artificial con los datos obtenidos en Cicytex. El objetivo es predecir la calidad de las ciruelas, en concreto de las del ciruelo japonés, para seguir contribuyendo a la digitalización del sector agropecuario y ayudar al agricultor en la toma de decisiones.

Incorporar la tecnología al campo permite utilizar con mayor eficiencia los recursos y anticiparse a ciertos problemas, como plagas y enfermedades. Este estudio de evolución y maduración del ciruelo japonés mediante análisis hiperespectral y sistemas inteligentes tiene tres destinatarios: los técnicos agrícolas, los agricultores y las cooperativas.

Para conocer la calidad de la ciruela se le mide la dureza y los grados Brix, que indican el dulzor de la misma. La ciruela pocha no tiene buen paladar. Para saber si está suficientemente dura se mide en el laboratorio con un aparato llamado penetrómetro, que determina el momento óptimo de recolección. Pero esta prueba, al igual que la medición de los grados Brix, daña la pieza. «Por ello, una de las patas de nuestro sistema está orientada a los técnicos agrícolas, para que sin tener que destruir el fruto, sean capaces de predecir qué dureza tiene la ciruela en un momento determinado o qué grados Brix», explica Francisco Chávez, el investigador principal de este proyecto.

Pero, ¿cómo este sistema puede arrojar tanta información sin penetrar en las ciruelas? Con muchos datos e imágenes previas. Aunque este proyecto comenzó en 2016, sus investigadores han trabajado con datos que tenían los técnicos de la finca desde 2012. Informaciones importantes como el peso de la ciruela, el calibre, los parámetros del color o los datos meteorológicos. Con estos antecedentes y con muestras de la fruta destruida y analizada, han calculado sus parámetros químicos y los han introducido en el sistema informático. Aquí es donde entra en juego la inteligencia artificial. «Hemos creado unos algoritmos que nos permiten predecir, en función a estos parámetros de entrada, los grados Brix de la ciruela, pudiendo así parametrizar la calidad», aclara Chávez.

Otra de las partes del proyecto está orientada al agricultor. Consiste en utilizar imágenes –hechas con una cámara compacta o con un móvil– de la ciruela en el campo para saber la variedad sin arrancarla del árbol. Para llegar a este punto, los investigadores del GEA han trabajado con tres variedades: Angeleno, Black Diamond y Red Beauty. Gracias a las redes neuronales, con una simple foto, se puede saber qué variedad es sin ni siquiera estar del todo formada la fruta. «La novedad es que a la semana de nacer, cuando parecen todas iguales; verdes y sin forma, la red neuronal ya te dice cuál es», añade.

Una red neuronal artificial es un programa informático que está basado en una red de neuronas idénticas a las de nuestro cerebro. A ese algoritmo se le entrena para una tarea específica y cuando ha 'aprendido' lo hace muy rápido y muy bien, con un índice de acierto de entre el 93% y 94%. La herramienta todavía se encuentra en fase de pruebas, por lo que esperan afinar y alcanzar el 95%. Los profesores del GEA están en proceso de crear una aplicación para el móvil que, con una captura, ofrezca la información sobre la variedad y otra todavía más valiosa: el estado de maduración en que se encuentra dicha ciruela.

Puede parecer obvio que un agricultor sabe de cuándo son sus frutos, pero Chávez plantea una hipótesis. «A lo mejor con la foto tomada, la inteligencia artificial indica que la fruta está en la semana 3 de maduración de un ciclo de 4 o 5 semanas. Sin embargo el agricultor sabe cuándo ha nacido el fruto y conoce, por lo tanto, la semana en la que se encuentra. Si no coincide con la herramienta, significa que el ciclo de maduración se está adelantando y eso quiere decir que el agricultor puede ajustar el riego en función de la necesidad de la planta. Así la ciruela nacerá en su tiempo, se podrá recolectar sin pérdidas y se obtendrá una mejor calidad de su producción.

Chávez añade que pretenden terminar la aplicación –que todavía no tiene nombre– a finales de este mes de mayo. «Queremos que esté al alcance de todos los agricultores para que, aunque la foto esté borrosa o tenga mala calidad, la inteligencia artificial aporte esa información en segundos y sin necesidad de conexión a Internet». El proceso de enseñar a una red neuronal lleva tiempo, dos o tres semanas, pero una vez entrenada tarda milésimas de segundo en dar una respuesta. Para las cooperativas también puede resultar interesante la detección de la variedad, ya que suelen entrarles diferentes variedades y con un dispositivo móvil podrían catalogarlas rápidamente.

Precisamente a las cooperativas y técnicos de laboratorio está enfocada la última vertiente de este proyecto nacido en la universidad extremeña. Pero para abordar esta fase es necesaria una cámara hiperespectral, que suele realizar entre 30 y 40 fotos por segundo. O como dice Chávez, «filetea en capas de imágenes el vegetal y recopila información a lo largo de todo el espectro electromagnético». Estas imágenes arrojan inmediatamente información sobre la variedad, el punto de maduración y la calidad. Estas cámaras ya son utilizadas por algunas cooperativas, puesto que sirven para cualquier fruta. En este caso, la ciruela llega a las instalaciones y con esta cámara se pueden detectar magulladuras internas y apartarlas del resto, o ver los calibres y derivarlas a una cinta transportadora u otra.

Francisco Chávez, que es doctor en Informática, bucea entre las redes neuronales con soltura y detalla que entrenarlas se asemeja al proceso de leer, escribir, sumar, o incluso a alguna práctica deportiva en la que se repite un ejercicio muchas veces hasta que sale bien. Mediante un entrenamiento supervisado, a la red se le introducen miles de imágenes. Esta observa 4.096 parámetros o características de la fotografía y da una respuesta. Como los informáticos conocen la respuesta, si la red acierta se vuelve a repetir el proceso para perfeccionarlo y si falla, se le indica también para que se fije en más parámetros.

Este algoritmo es una ayuda que aporta información adicional basada en miles de casos que ha analizado. Un complemento. Pero la decisión última la toma el agricultor. La inteligencia artificial le corrobora sus sospechas, para que pueda actuar antes de que la plantación no alcance la calidad máxima que puede alcanzar.

«Cuando empezamos con este proyecto vimos que Extremadura era uno de los exportadores principales de esta fruta y nos propusimos aumentar la calidad de la producción», declara Chávez. La agricultura es un sector estratégico para Extremadura y posiblemente con la incorporación de diversos avances científicos y tecnológicos, pueda crecer y progresar más rápido.