Definizione

L’idea di una Internet of Plants non è molto recente, i primi articoli che ne parlano risalgono più o meno al 2010, quando si iniziò a pensare alla possibilità di sfruttare per vari scopi la grande sensibilità delle piante a cambiamenti climatici, ambientali e fisiologici. In pratica l’idea è quella di usare alberi e piante per raccogliere dati e propagarli attraverso una rete proprio come fanno i computer e i server su Internet.

In questo contesto, le piante “cyborg” sono dotate di sensori elettronici in grado di misurare parametri ambientali e di trasmetterli a dei microcontrollori che a loro volta li immettono nella rete. Tutti questi dati possono essere poi usati propagati a vari livelli e utilizzati per:

• monitorare lo stato di equilibrio di interi ecosistemi nell’ambito della tutela ambientale, rilevare l’inquinamento e la presenza di composti tossici, individuare variazioni critiche all’interno di un certo ecosistema,
• controllare la salute di piante e alberi e del loro comportamento, nell’ambito della neurobotanica,
• seguire l’evoluzione di intere colture nell’ambito dell’agricoltura di precisione per capire, per esempio, quando irrigare o fertilizzare.

Tutto questo è possibile perché le piante sono esseri viventi sensibili e intelligenti.

Sensibili perché dotate della capacità di avvertire la variazione di decine di parametri ambientali fisici e chimici:

• Temperatura
• Umidità del suolo
• Intesità di luce.
• Fotoperiodo (durata del giorno e della notte).
• Esposizione a raggi UV o IR.
• Vento e movimenti meccanici.
• Concentrazione di nutrienti: sofio, potassio, azoto, ecc.
• pH del suolo.
• Salinità.
• Ossigeno presente nel suolo.
• Anidride carbonica presente nell’aria.
• Presenza di gas.
• Presenza di parassiti: insetti, funghi, batteri.
• Sollecitazioni meccaniche: tagli, percussioni, scuotimenti, morsi, ecc.
• Presenza di radici di altre piante (competizione radicale)
• Presenza di micorrizze o batteri.

Intelligenti perché capaci di risolvere problemi e di rispondere in modo opportuno alle sollecitazioni esterne [1][2][3][5][6].

Come avviene per il cervello umano, anche le piante rispondono a stimoli esterni attraverso segnali elettrici che possono essere rilevati, identificati, misurati ed interpretati.

Il lavoro però non è semplice perché se i segnali elettrici possono essere rilevati e misurati, per esempio, utilizzando gli stessi elettrodi che si usano nell’elettromiografia, è poi necessario creare una sorta di vocabolario che permetta di capire il significato di ciascuna di queste variazioni.

Tra l’altro, oltre ai segnali elettrici, ci sono altre grandezze che si possono prendere in cosiderazione:

• variazioni di impedenza o conduttività
• flusso di linfa,
• apertura degli stomi,
• produzione di ormoni,
• emissone di VOC (Composto Organici Volatili).

Infine, ci sarebbe anche da considerare un altro aspetto, ossia che le piante e gli alberi comunicano tra di loro attraverso: VOC, secrezioni chimiche, reti micorizziche e segnalazioni acustiche (a infrasuoni o ultrasuoni e quindi non udibili dagli uomini) [3][4]. Quindi anche intercettare queste comunicazioni potrebbe essere utile per alcune applicazioni.

Progetti conosciuti

Tra i progetti che si sono occupati dell’Internet of Plants, quelli che mi sembrano più rilevanti sono:

• PLEASED (PLants Employed As SEnsing Devices): E’ stato un progetto finanziato dalla Commissione Europea nell’ambito dei progetti FET (Future and Emerging Technologies) che aveva lo scopo di studiare e sviluppare il concetto di piante dotate di sensori per monitorare parametri ambientali (disponibilità di acqua, qualità del suolo, inquinamento, stress, ecc.) collegati in rete per fornire dati utili agli scienziati e agli agricoltori. La ricerca ha riguardato soprattutto l’integrazione di microsensori e sulla loro integrazione con le piante al fine di interpretare segnali biologici e trasformarli in informazioni digitali. Lo studio ha prodotto vari articoli e prototipi sperimentali di sensori e protocolli per il loro utilizzo. Questo progetto è stato sviluppato negli anni dal 2012 al 2015, non mi sembra che ci siano stati ulteriori sviluppi.
• CROPPS (Center for Research on Programmable Plant Systems): E’ un centro di ricerca che ha tra i suoi finanziatori la National Science Foundation (NSF) degli Stati Uniti e  che ha lo scopo di creare tecnologie e sistemi per la comunicazione bidirezionale con le piante, cioè non solo ascoltare i segnali biologici delle piante, ma anche potenzialmente rispondere, programmare e modificare certi aspetti del loro comportamento. L’obiettivo è far parte di ciò che viene chiamato Internet of Living Things (IoLT), un’espansione dell’idea di IoT (Internet of Things) applicato a organismi viventi. Il progetto mira a comprendere come le piante interagiscono con l’ambiente e come tradurre ciò in informazioni utili per agricoltura sostenibile e resiliente. Il progetto è stato avviato nel 2021 ed è tuttora in corso. Il centro di ricerca è multidiciplinare e coinvolge i dipartimenti di biologia, informatica, ingegneria e botanica di molte università e al suo interno si sta cercando di fondare una nuova disciplina di Biologia digitale delle piante che unisce segnali biologici e tecnologie di rete. L’obiettivo dichiarato è di progettare servizi e prodotti commerciali.

Il fatto che sia la Commissione Europea che il governo degli Stati Uniti abbia finanziato o stia finanziando ricerche di questo tipo fa pensare che non si tratti di studi e ricerche velleitarie, ma di un ambito di ricerca che potrebbe avere non solo un grande valore scientifico, ma anche dei risvolti economici importanti. Il centro americano, infatti, è molto indirizzato al mondo agricolo e produttivo più che a quello ambientale.

Architettura del sistema

In questo contesto sembra una buona idea allearsi con piante e alberi, prendersi cura di loro e “collaborare” con loro al fine di avere un sistema connesso e globale che permetta di raccogliere una mole enorme di dati che, opportunamente elaborata, può portare a sviluppi tecnologici e progessi scientifici di grande portata.

Le tecnologie per realizzare un sistema di questo tipo esistono già tutte, sia da un punto della sensoristica che dal punto di vista della raccolta dati (protocolli, infrastrutture e dispositivi); senza contare che con l’avvento e la diffusione dell’Intelligenza Artificiale anche l’analisi dei dati e l’estrazione di informazioni e previsioni da questi non dovrebbe essere molto difficile.

L’architettura di un sistema di questo tipo potrebbe essere di questo tipo:

In questo schema l’analisi e la gestione dei dati è sviluppata su quattro livelli (IL-IVL), ma ce ne potrebbero essere altri. Ad ogni livello avviene una raccolta dei dati che è inviata a un aggregatore che a sua volta diventa un nodo del livello successivo.

Vediamo cosa succede ad ogni livello:

1. IL (Local Level): Ci sono dei sensori che collegano un microcontrollore (µ) ad alberi e piante e misurani variparametri biologici, ci potrebbero essere anche degli attuatori che
2. IIL (Broker Level): I microcontrollori raccolgono dati, li puliscono rimuovendo rumore e interferenze e li inviano a un server (Broker) utilizzando il protocollo MQTT (un protocollo molto comune nell’IoT) .
3. IIIL (Zone Level): Tramite una connessione di rete tutti i Broker MQTT inviano i dati a un Server di Zona. Questo server potrebbe avere varie funzioni:
   • aggregazione dei dati,
   • analisi dei dati,
   • salvataggio dei dati,
   • presentazione e pubblicazione dei dati,
   • interpretazione dei dati con algoritmi di Machine Learning,
   • esecuzione di applicazioni di vario tipo basate su sistemi di AI.
4. IV (Area Level): I Server di Zona inviano ai Server di Area i dati aggregati per una analisi di livello superiore e più generale.

La comunicazione tra i dispositivi e gli aggregatori puà avvenire in ogni livello in vari modi: ethernet, wifi, bluetooth, ecc.

Come già detto le tecnologie per realizzare un sistema di questo tipo ci sono già tutte, magari nei prossimi post potremmo pensare di vedere nel dettaglio quali sono e come utilizzarle.

 

Conclusione

L’Internet of Plants è una frontiera interdisciplinare tra biologia, sensoristica e informatica. Comprendere e sfruttare i segnali delle piante può aprire nuovi scenari sia per un’agricoltura sostenibile ma anche per monitorare  e proteggere l’ambiente che ci circonda. E’ un campo in pieno sviluppo le cui potenzionalità sono enormi e potrebbero portare al raggiungimento di conoscenze avanzate e conseguentemente di applicazioni utili e innovative. Speriamo che i ricercatorti e gli scienziati che lavorano in questo campo riescano a trovare i fondi necessari a portare avanti ulteriori sperimentazioni nei prossimi anni.

 

Fonti e riferimenti

1. Verde brillante, Stefano Mancuso, Alessandra Viola, Giunti, 2019.
2. La mente delle piante – Introduzione alla psicologia delle piante, Umberto Castiello, Il Mulino, 2020.
3. Così parlò la pianta. Un viaggio straordinario tra scoperte scientifiche e incontri personali con le piante, Monica Gagliano, Nottetempo, 2022.
4. L’Albero Madre, Suzanne Simard, Mondadori, 2023.
5. Stefano Mancuso: Alla radice dell’intelligenza delle piante, Stefano Mancuso, Ted Talks.
6. Le piante sono coscienti?, Stefano Mancuso, Ted Talks.
7. The Internet of Vegetables: How Cyborg Plants Can Monitor Our World, Klint Finley, Wired, 2014.
8. Kickstarter of the Week: Plant-In City Offers an Internet of Vegetation di Tim Maly su Wired, 2012.
9. An “Internet of Plants” Could Tell Farmers When Crops Need Watering di Stav Dimitropoulos, Stav Dimitropoulos, Scientifica American.
10. Elowan: A plant-robot hybrid, MIT.
11. PLants Employed As SEnsor Devices, sito del progetto.
12. Pleased KIT, su GitHub (prodotto ufficiale del progetto???).
13. Plants as sensing devices, autori vari, paper sui risultati del progetto PLEASED.
14. CROPPS – Center for Research on Programmable Plant Systems, sito del progetto.
15. CROPPS, su Wikipedia.
16. TEDxRoma, le piante come sensori: intervista ad Andrea Vitaletti su Wired.
17. Innovare con i piedi per terra e la testa fra le nuvole, TEDx di Andrea Vitaletti.

IoP (Internet of Plants) su questo blog

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