lunes, 22 de mayo de 2023 · 0 min read
Monitoreo no destructivo de la madurez de la fruta. ¿Mi aguacate está listo para comer?
Al volver de la tienda, seguro de que seleccionó el aguacate perfecto y descubrir que aún no está maduro o, lo que es peor, que ya no está maduro, es una experiencia bastante común pero frustrante para los consumidores glotones de frutas tropicales.
Radio6sense ha desarrollado un enfoque multifísico y no destructivo para monitorear la madurez de las frutas tropicales: combinando ondas electromagnéticas, de radio, mecánicas y vibratorias para “detectar” el estado de las frutas, y la solución involucró a Dewesoft.
Introducción
De hecho, el color de la piel puede ser un indicador engañoso o confuso de la madurez de la fruta, ya que el oscurecimiento de la piel al final de la temporada puede ocurrir también antes de la cosecha, mientras que el almacenamiento a bajas temperaturas puede producir frutas con un oscurecimiento reducido de la piel. Al mismo tiempo, exprimir la fruta para evaluar su firmeza no solo daña las frutas, sino que incluso plantea serios problemas de higiene, especialmente en esta era de Covid19.
El creciente mercado de frutas tropicales y, en general, la demanda de productos alimenticios que cumplan con los estándares de alta calidad y frescura, está impulsando rápidamente el desarrollo de nuevos “envases inteligentes”. Más allá de las funciones habituales de contención, protección y conservación, las últimas soluciones incorporan nuevas capacidades de detección para proporcionar a toda la cadena de suministro y valor y a los consumidores información aumentada en tiempo real sobre las etapas de maduración de la fruta y sus parámetros de calidad.
Impulsado por la exigente solicitud de nuestro cliente ILIP, un fabricante italiano de envases de alimentos termoformados hechos de plástico y bioplástico compostable, durante los últimos tres años hemos estado explorando, probando e implementando soluciones de bajo costo y no invasivas para estimar la etapa de maduración de frutas tropicales, con especial atención a los aguacates.
Smart Ripe: tecnología digital para ayudar a los consumidores a elegir la fruta
El fundamento: propiedades dieléctricas de RF y química
La maduración del aguacate genera variaciones mecánicas, colorimétricas y químicas del fruto. La principal modificación física es el ablandamiento del fruto debido a la disminución de la adhesión célula a célula, como consecuencia de las actividades que realizan diferentes enzimas (celulasa, pectina metilesterasa, poligalacturonasas ...) que actúan sinérgicamente. Los cambios físicos contribuyen a la textura de la fruta, particularmente, tanto la viscosidad como la elasticidad en los tejidos de la fruta cambian en función de la maduración de la fruta, la fruta se vuelve más cremosa y menos acuosa en textura.
A medida que los aguacates se ablandan con el tiempo, la materia seca (MS) es un índice de madurez comúnmente adoptado, pero requiere una prueba destructiva para ser medido (Figura 1). Además, la maduración del aguacate también produce modificaciones fisiológicas de las propiedades químicas, y en particular un aumento de la concentración de aceite y una disminución de azúcar durante el almacenamiento relacionado con la deshidratación poscosecha.
Se espera que dicha variación química y física variable en el tiempo produzca un efecto macroscópico y medible sobre las propiedades dieléctricas de la radiofrecuencia (RF) (permitividad 𝛆r y conductividad 𝛔 [S / m]) de los materiales constitutivos de la fruta, especialmente en la pulpa.
Entonces, en un principio, demostramos la existencia de un contraste dieléctrico entre los diferentes estados de maduración (inmaduro, maduro, demasiado maduro) a través de una campaña experimental realizada caracterizando la pulpa de la fruta por medio de una sonda coaxial de extremo abierto conectada a un Vector Network Analyzer ( VNA). Las mediciones revelaron una variación temporal, aunque no monótona, el perfil de la variación junto con el tiempo, como se muestra en la Figura 2.
Como consecuencia, si se coloca una antena cerca de la fruta, p. Ej. directamente adherido a la cáscara o integrado dentro de su envase de plástico, cualquier variación de las propiedades de la fruta producirá, a su vez, modificaciones de su rendimiento en términos de impedancia y ganancia de radiación.
Al dominar adecuadamente este fenómeno, un dispositivo inalámbrico y sin batería con detección automática, es decir, ¡una simple antena! - se puede convertir en un transductor (electromagnético) del proceso de destino a monitorear.
La solución Dewesoft - monitoreo electromagnético
La implementación de una solución basada en electromagnetismo en una aplicación y procesos realistas se basa en la Identificación por Radiofrecuencia [RFID] en la banda UHF (840-960 MHz), que actualmente es reconocida como una de las tecnologías habilitadoras para la revolución de la Industria 4.0 digital. .
Partiendo de componentes disponibles comercialmente, diseñamos y optimizamos un sistema tipo tótem (Fig.3) que comprende:
Una etiqueta de bucle de tamaño pequeño, que se asemeja a las etiquetas adhesivas de frutas convencionales, aplicada en un PET con forma de cáscara alrededor de la fruta,
Un lector de RFID conectado a la antena de campo cercano que enfoca y excita una distribución de campo electromagnético fuerte y uniforme dentro de la zona de detección de etiquetas, y
Una unidad informática integrada que ejecuta un algoritmo de procesamiento personalizado.
Las señales electromagnéticas (EM) retrodifundidas y transmitidas por la etiqueta hacia el lector durante los pasos de comunicación definen la huella electromagnética del estado de maduración de la fruta.
Por lo tanto, la inteligencia del sistema de monitoreo se puede mover desde el nivel del sensor, que es extremadamente simple y reducido a un IC con una pequeña antena que cuesta unos centavos, al nivel de procesamiento.
De hecho, varias métricas analógicas y digitales (potencia de activación, amplitud y fase de la señal retrodispersada ...) se pueden extraer de las señales sin procesar y utilizar para alimentar un algoritmo de aprendizaje automático supervisado, aquí un clasificador de árbol binario, para predecir el estado de maduración de la fruta en una escala discretizada (inmadura, madura y demasiado madura).
En colaboración con el Departamento de Ciencias Agrícolas, Forestales y Alimentarias de la Universidad de Turín (DISAFA), realizamos una campaña experimental pionera con más de 300 frutas.
Según los resultados, la máxima precisión que se puede lograr procesando las características de RF rara vez supera el 65-70%, debido a la evolución no monótona de los parámetros electromagnéticos, sobre todo, la alta variabilidad de los frutos (en términos de forma, tamaño y progresión espacial del proceso de maduración dentro de la pulpa)
Luego se aplicó nuestro modelo de clasificador teniendo en cuenta la evolución temporal del proceso de maduración, lo que significa que se ingresó al clasificador información adicional, como la temperatura de almacenamiento, la condición inicial en el momento del envasado, el tiempo transcurrido desde el envasado.
Estos indicadores pueden ser gestionados inherentemente por cualquier plataforma RFID y almacenados automáticamente dentro de la memoria IC durante las diferentes fases de la distribución de la fruta, desde el huerto hasta el retail, estando así disponibles en cualquier momento de la cadena para alimentar el algoritmo de clasificación.
Al combinar las métricas de RF y temporales, la precisión del árbol binario clasificado se puede aumentar hasta un 85-95% siempre que.
¿Eso es todo? ¡Por supuesto no!
Hay suficiente espacio, es decir, el porcentaje de clasificación errónea residual, para trabajar y potenciar aún más la solución.
Se puede explorar un enfoque multifísico ya que, de manera similar a las características EM, se ha demostrado en la literatura científica que la respuesta de la fruta a un estímulo acústico o vibratorio impuesto que excita las resonancias estructurales está relacionada con su consistencia y composición y, en consecuencia, sujeta proceso de maduración.
Sobre la base de lo que encontramos en la literatura, organizamos una prueba de concepto para evaluar la viabilidad de nuestra idea y mostrar a nuestros clientes el potencial de combinar el análisis de señales multifísicas heterogéneas.
La configuración inicial incluyó un shaker Dewesoft y un acelerómetro que tocaba la cáscara de la fruta para registrar la respuesta de la fruta a la solicitud.
Cuando el shaker se usa para excitar estructuras, los vibradores simples o múltiples son impulsados por una salida analógica o por sistemas de vibración externos. La fuerza se induce en la estructura y la respuesta de la estructura se mide mediante acelerómetros u otros transductores de vibración.
Dewesoft produce un juego completo de shakers, shakers de imán permanente, modales, inerciales, perfectos para aplicaciones de I + D como la nuestra.
Con el software de adquisición de datos DewesoftX fue posible controlar el agitador con cualquier tipo de señal, gracias a las funcionalidades integradas del Generador de funciones Dewesoft. De hecho, el generador de funciones Dewesoft permite reproducir en la salida analógica diferentes tipos de formas de onda, como sinusoidal, triangular, ruido o señal arbitraria, con la amplitud y frecuencia de señal deseada.
Descubrimos que el paquete de software FRF era muy útil para esta aplicación. Gracias a las funcionalidades de Modal Test es posible accionar directamente el agitador y calcular la función de transferencia mecánica de cualquier cuerpo mecánico, o de la fruta en nuestro caso. Gracias a la interfaz gráfica de usuario proporcionada para el paquete de software FRF, fue fácil ver los datos en tiempo real.
DewesoftX ofrece pantallas autogeneradas, que ya vienen con los instrumentos más utilizados y una disposición que tiene sentido para ellos según el tipo de aplicación. Para el acondicionamiento de la señal y la adquisición de datos, utilizamos un sistema de adquisición de datos SIRIUS, que incluye todas las funcionalidades necesarias en una sola caja.
El mismo sistema es capaz de proporcionar acondicionamiento de señal de alta calidad para acelerómetros IEPE, conversor ADC de excelente relación señal / ruido y salidas analógicas. Con una simple conexión USB, nuestro laboratorio estaba listo para funcionar.
Se organizó una prueba de laboratorio, muy preliminar, utilizando una señal modulada en amplitud escalonada (10 Hz-1 kHz) y dos frutos con diferentes etapas de madurez. Los primeros resultados sugieren que el pico de la función de transferencia medida podría estar relacionado con el estado de la fruta, con un cambio de frecuencia descendente detectable, alrededor de 5 Hz, junto con el proceso de maduración (Fig. 4).
Motivados por esta evidencia alentadora, actualmente estamos programando una campaña experimental más rica para ajustar las variables del método propuesto, p. Ej. ¿Cuál es la mejor posición para el acelerómetro? ¿Cuál es la mejor señal de excitación? - y evaluar su reproducibilidad en un conjunto de datos de frutas estadísticamente significativo.
Luego, el ambicioso objetivo será desarrollar un Tótem RADIO-Mecánico basado en Dewesoft que integre dos fuentes de señal (lector RFID y un agitador), dos transductores (una etiqueta y acelerómetros), y una visualización y procesamiento sinérgicos de los datos medidos. que se puede transmitir hacia una interfaz única gracias al protocolo OPC UA. La capacidad de dicha integración es otro valor agregado proporcionado por las instalaciones de hardware y software de Dewesoft DAQ.
Esperamos mejorar significativamente la precisión del sistema de clasificación cuando se utilizan señales tanto de radio como mecánicas. De hecho, incluso en este caso, el análisis mecánico se realizaría solo en algunos puntos cruciales de la cadena de suministro, debido al mayor costo de las soluciones, la información significativa recopilada sobre el estado de la fruta se almacenará dentro de la memoria IC del dispositivo electrónico. etiqueta. En consecuencia, los últimos datos estarán disponibles como entrada adicional para el tótem RFID más simple durante toda la vida útil del producto.
Conclusión: menos desperdicio de alimentos y envases de plástico
El envasado inteligente para alimentos genera continuamente un contenido informativo digital / analógico sobre los productos internos durante toda su vida útil, convirtiéndose así en uno de los ladrillos habilitadores de la economía moderna basada en datos.
Reducir el desperdicio de alimentos perecederos, optimizar la exposición de los estantes, sugerir cuándo es el momento perfecto para comer e involucrar a los clientes con experiencias de usuario mejoradas son solo algunos ejemplos de los beneficios esperados de la plataforma.
Comenzamos con productos de frutas y verduras "premium", como frutas tropicales (aguacate, mango y papaya), pero el principio es directamente aplicable a cualquier alimento perecedero cuyas características químicas / físicas cambien significativamente con el tiempo, siempre que el clasificador sea debidamente capacitado sobre los conjuntos de datos correspondientes.
Nuestro cliente se mostró realmente entusiasmado con el estudio y presentó el sistema RFID - denominado SmartRipe - durante una de las ferias internacionales más importantes del sector alimentario, Macfrut 2019, recogiendo comentarios muy positivos de los operadores comerciales del sector.
Smart Ripe es una novedad de la que estamos muy orgullosos porque va en la dirección de un empaque que no solo es protección sino también un elemento de creación de valor para la cadena de suministro. En un período en el que los envases de plástico son objeto de debates incluso críticos, proponemos una visión en la que la sostenibilidad de los envases también pasa por funciones avanzadas que crean valor y mejoran la gestión de la cadena de suministro.
Aunque se describió que el enfoque “multifísico” está en una etapa inicial, el cliente captó el potencial de la solución y nos encargó un nuevo contrato para investigarlo más a fondo.
En general, nos divertimos mucho durante la caracterización de los aguacates. Comimos tantos para el almuerzo, y usamos el demasiado maduro para salsa de guacamole ... ¡afortunado que no nos pidieron probar el chocolate!
Referencias
Envasado inteligente basado en identificación por radiofrecuencia: Clasificación electromagnética de la maduración de frutas tropicales. C. Occhiuzzi, N. D’Uva, S. Nappi, S. Amendola, C. Gialluca, V. Chiabrando, L. Garavaglia, G. Giacalone y G. Marrocco. Revista Antennas and Propagation, octubre de 2020.