Radio6ense, Italia
A cura della Dott.ssa Sara Amendola, Co-fondatrice di Radio6ense

Rientrare a casa dopo essere stati al supermercato, certi di aver selezionato l'avocado perfetto e scoprire che non è ancora maturo o, peggio ancora, che è troppo maturo, è un'esperienza abbastanza comune ma frustrante per i consumatori golosi di frutti tropicali.

Radio6sense ha sviluppato un approccio multifisico e non distruttivo per verificare il grado di maturazione dei frutti tropicali: combinando onde elettromagnetiche, radio, meccaniche e vibrazionali per “percepire” lo stato dei frutti - questa soluzione ha coinvolto Dewesoft.

Smart Ripe: tecnologia digitale per aiutare i consumatori a scegliere la frutta

Introduzione

In effetti, il colore della buccia può essere un indicatore fuorviante per la maturazione dei frutti, poiché a fine stagione il colore della buccia può diventare più scuro anche prima della raccolta, mentre la conservazione a basse temperature può produrre frutti con la buccia più chiara. Allo stesso tempo, tastare il frutto per valutarne la consistenza non solo lo danneggia, ma solleva anche seri problemi di igiene, soprattutto in questa era Covid19.

Il mercato in crescita dei frutti tropicali e, in generale, la domanda di prodotti alimentari conformi a standard di alta qualità e freschezza, sta rapidamente promuovendo lo sviluppo di nuovi "imballaggi intelligenti". Oltre alle normali funzioni di contenimento, protezione e conservazione, queste ultime soluzioni incorporano nuove capacità per offrire in tempo reale all'intera catena di fornitura e ai consumatori maggiori informazioni sulle fasi di maturazione della frutta e sui suoi parametri di qualità.

Spinti dalla stimolante richiesta del nostro cliente ILIP, produttore italiano di imballaggi alimentari termoformati in plastica e bioplastica compostabile, negli ultimi tre anni abbiamo esplorato, testato e implementato soluzioni a basso costo e non invasive per la stima della fase di maturazione di frutti tropicali, con particolare attenzione agli avocado.

Razionale – Proprietà Chimiche e Dielettriche a RF

La maturazione dell'avocado genera variazioni meccaniche, colorimetriche e chimiche del frutto. La principale modifica fisica è l'ammorbidimento del frutto dovuto alla diminuzione dell'adesione cellula-cellula, in conseguenza delle attività svolte da diversi enzimi (cellulasi, pectina metilesterasi, poligalatturonasi ...) che lavorano in sinergia. I cambiamenti fisici contribuiscono alla consistenza del frutto, in particolare, sia la viscosità che l'elasticità nei tessuti del frutto cambiano in funzione della maturazione del frutto, il frutto diventa più cremoso e con consistenza meno acquosa.

Un indice comunemente adottato per verificare la maturità del frutto è il Dry Matter (DM), ma richiede un test distruttivo per essere misurato (Fig.1). Inoltre, la maturazione dell'avocado produce anche modifiche fisiologiche delle proprietà chimiche, ed in particolare un aumento della concentrazione di olio e una diminuzione dello zucchero durante la conservazione legate alla disidratazione post-raccolta.

Si prevede che tale modifica chimica e fisica tempo variante produca un effetto macroscopico e misurabile sulle proprietà dielettriche a radiofrequenza (RF) (permittività 𝛆r e conducibilità 𝛔 [S/m]) dei materiali che compongono il frutto, specialmente nella polpa .

Fruit ripening processFig.1. Processo di maturazione dei frutti: a) Esempio di Avocado a tre stadi di maturazione rilevanti e b) Compattezza del frutto misurata attraverso un durometro shore (SH) rispetto al giorno di maturazione per i frutti conservati in tre diverse condizioni ambientali.

Quindi, in un primo momento, abbiamo dimostrato l'esistenza di un contrasto dielettrico tra i diversi stati di maturazione (acerbo, maturo, troppo maturo) attraverso una campagna sperimentale eseguita caratterizzando la polpa del frutto per mezzo di una sonda coassiale aperta collegata ad un Analizzatore di Rete Vettoriale (VNA). Le misure hanno rivelato una variante temporale, ma non monotona, del profilo della variazione insieme al tempo, come mostrato in Fig.2.

Measured dielectric properties of avocado vs ripening for two fruit locationsFig. 2. Proprietà dielettriche misurate dell'avocado rispetto alla maturazione per due frutti. Valori medi a 870 MHz corrispondenti ai tre stati di maturazione (C1 acerbo, C2 maturo, C3 troppo maturo).

Di conseguenza, se un'antenna è posizionata nelle immediate vicinanze del frutto, ad es. attaccata direttamente alla buccia o integrata nel suo imballaggio di plastica, qualsiasi variazione delle proprietà del frutto produrrà a sua volta modifiche delle sue prestazioni in termini di impedenza e guadagno di radiazioni.

Conoscendo adeguatamente questo fenomeno, un dispositivo auto-sensibile, senza batteria e senza fili - vale a dire una semplice antenna! - può essere trasformato in un trasduttore (elettromagnetico) del processo target da monitorare.

La Soluzione Dewesoft - Monitoraggio Elettromagnetico

L'implementazione di tale soluzione basata sull'elettromagnetismo in un'applicazione realistica si basa sull'Identificazione a Radiofrequenza [RFID] nella banda UHF (840-960 MHz), che è attualmente riconosciuta come una delle tecnologie abilitanti per la rivoluzione dell'Industria digitale 4.0.

Partendo da componenti disponibili in commercio, abbiamo progettato e ottimizzato un sistema totem (Fig.3) composto da:

  • Un'etichetta ad anello di piccole dimensioni, simile agli adesivi della frutta convenzionali, applicata sull'involucro PET che avvolge il frutto,
  • Un lettore RFID collegato all'antenna a campo vicino che focalizza ed eccita una distribuzione del campo elettromagnetico forte e uniforme all'interno della zona di rilevamento del tag, e
  • Un'unità di elaborazione incorporata che esegue un algoritmo di elaborazione personalizzato.

I segnali elettromagnetici (EM) retrodiffusi e trasmessi dal tag verso il lettore durante le fasi di comunicazione definiscono l'impronta elettromagnetica dello stato di maturazione del frutto.

L'intelligenza del sistema di monitoraggio può quindi essere spostata dal livello del sensore - che è estremamente semplice e ridotto a un IC con una piccola antenna che costa pochi centesimi - al livello di elaborazione.

Infatti, diverse metriche analogiche e digitali (potenza di attivazione, ampiezza e fase del segnale retrodiffuso ...) possono essere estratte dai segnali grezzi e utilizzate per alimentare un algoritmo di apprendimento automatico supervisionato - qui un classificatore ad albero binario - per prevedere il stato di maturazione dei frutti su una scala discretizzata (acerbo, maturo e troppo maturo).

The concept of RFID-totem for fruit ripeness monitoring.Fig. 3. Il concetto di totem RFID per il monitoraggio della maturazione dei frutti.

In collaborazione con il Dipartimento di Scienze Agrarie, Forestali e Alimentari dell'Università degli Studi di Torino (DISAFA) abbiamo realizzato una pionieristica campagna sperimentale che ha coinvolto più di 300 frutti.

In base ai risultati, la massima precisione ottenibile elaborando le caratteristiche RF raramente supera il 65-70%, a causa dell'evoluzione non monotona dei parametri elettromagnetici, soprattutto l'elevata variabilità dei frutti (in termini di forma, dimensione e progressione spaziale del processo di maturazione della polpa interna)

Il nostro modello di classificazione è stato quindi applicato tenendo conto dell'evoluzione temporale del processo di maturazione, il che significa che le informazioni aggiuntive - come la temperatura di conservazione, la condizione iniziale al momento del confezionamento, il tempo trascorso dall'imballaggio, sono state inserite nel classificatore.

Questi indicatori possono essere gestiti intrinsecamente da qualsiasi piattaforma RFID e memorizzati automaticamente all'interno della memoria IC durante le diverse fasi della distribuzione della frutta, dal frutteto alla vendita al dettaglio, essendo così disponibili in qualsiasi momento lungo la catena per alimentare l'algoritmo di classificazione.

Combinando le metriche RF e temporali, la precisione dell'albero binario classificato può essere aumentata fino all'85-95%, a certe condizioni.

È tutto? Ovviamente NO!

C'è abbastanza spazio - cioè la percentuale di errata classificazione residua - su cui lavorare per potenziare ulteriormente la soluzione.

Un approccio multifisico può essere esplorato poiché - analogamente alle caratteristiche EM, è stato dimostrato nella letteratura scientifica che la risposta del frutto a uno stimolo acustico o vibrazionale imposto che eccita le risonanze strutturali è correlata alla sua consistenza e composizione e, di conseguenza, soggetta al processo di maturazione.

Sulla scia di quanto riscontrato in letteratura, abbiamo predisposto un proof-of-concept per valutare la fattibilità della nostra idea e mostrare ai nostri clienti le potenzialità di combinare l'analisi di segnali multifisici eterogenei.

La configurazione iniziale includeva uno shaker a vibrazione Dewesoft e un accelerometro posizionato sulla buccia della frutta per registrare la risposta del frutto alla sollecitazione.

Quando lo shaker viene utilizzato per l'eccitazione di strutture, gli agitatori singoli o multipli possono essere azionati tramite un'uscita analogica o da sistemi di agitazione esterni. La forza è indotta nella struttura e la risposta della struttura è misurata tramite accelerometro o da altri sensori di vibrazione.

Dewesoft inertial shakers with integrated amplifiers used in modal analysis and vibration testingDewesoft offre una gamma di agitatori modali e inerziali con amplificatori integrati, nonché agitatori a magneti permanenti compatti che possono essere utilizzati per test modali e di vibrazione.

Dewesoft produce un set completo di shaker, shaker a magneti permanenti, shaker modali, shaker inerziali, perfetti per applicazioni di ricerca e sviluppo come la nostra.

Utilizzando il software di acquisizione dati Dewesoft X è stato possibile pilotare lo shaker con qualsiasi tipo di segnale, grazie alle funzionalità integrate del generatore di funzioni Dewesoft. Infatti, il generatore di funzioni Dewesoft consente di riprodurre nell'uscita analogica diversi tipi di forme d'onda, come segnale sinusoidale, triangolare, rumore o arbitrario, con l'ampiezza e la frequenza del segnale desiderate.

Dewesoft function generator UIX inside Dewesoft XGeneratore di funzioni Dewesoft UIX all'interno di Dewesoft X

Il pacchetto software FRF è stato molto utile per questa applicazione. Grazie alle funzionalità del plugin Modal Test è possibile pilotare direttamente lo shaker e calcolare la funzione di trasferimento meccanico di qualsiasi corpo meccanico - o della frutta nel nostro caso. Grazie alla grafica dell''interfaccia utente fornita per il pacchetto software FRF è stato molto facile visualizzare i dati in tempo reale.

Dewesoft X offre display generati automaticamente, che già vengono forniti con gli strumenti più utilizzati in base al tipo di applicazione. Per il condizionamento del segnale e l'acquisizione dei dati, abbiamo utilizzato un sistema di acquisizione dati SIRIUS, che include tutte le funzionalità necessarie in un unico box.

SIRIUS data acquisition system with accelerometers and modal hammerSistema di acquisizione dati SIRIUS con accelerometri collegati, microfono e martello strumentato

Lo stesso sistema è in grado di fornire un condizionamento del segnale di alta qualità per gli accelerometri IEPE, un eccellente rapporto segnale/rumore convertitore ADC e uscite analogiche. Con una semplice connessione USB, il nostro laboratorio era pronto per partire.

Un test di laboratorio, molto preliminare, è stato organizzato utilizzando un segnale modulato in ampiezza graduale (10 Hz-1kHz) e due frutti con diversi stadi di maturazione. I primi risultati suggeriscono che il picco della funzione di trasferimento misurata potrebbe essere correlato allo stato del frutto, con uno spostamento di frequenza verso il basso rilevabile, circa 5Hz, insieme al processo di maturazione (Fig. 4)

The raw time domain signals measured by the accelerometerFig.4. Un esempio di confronto tra frutti acerbi e maturi. I segnali grezzi (a sinistra) del dominio del tempo misurati dall'accelerometro che toccano la buccia degli avocado eccitati attraverso lo shaker. A destra, la corrispondente funzione di trasferimento meccanico nel dominio della frequenza.

Motivati da questa prova incoraggiante, stiamo attualmente programmando una campagna sperimentale più ricca per mettere a punto le variabili del metodo proposto, ad es. qual è la posizione migliore per l'accelerometro? qual è il miglior segnale di eccitazione? - e per valutarne la riproducibilità su un set di dati sulla frutta statisticamente significativo.

Quindi, l'obiettivo ambizioso sarà quello di sviluppare un Totem RADIO-Meccanico basato su Dewesoft che integri due sorgenti di segnale (lettore RFID e uno shaker), due trasduttori (tag più accelerometro), e una visualizzazione ed elaborazione sinergica dei dati misurati, che può essere trasmesso in streaming verso un'interfaccia unica grazie al protocollo OPC UA. La capacità di tale integrazione è un altro valore aggiunto fornito dalle strutture hardware and softwar di Dewesoft DAQ.

Ci aspettiamo di migliorare in modo significativo l'accuratezza del sistema di classificazione quando si utilizzano segnali sia radio che meccanici. Infatti, anche in questo caso, l'analisi meccanica verrebbe eseguita solo in alcuni punti cruciali della filiera - a causa del maggior costo delle soluzioni - le informazioni significative raccolte sullo stato dei frutti verranno archiviate all'interno della memoria IC dell'elettronica etichetta. Di conseguenza, questi ultimi dati saranno disponibili come input aggiuntivo per il totem RFID più semplice per l'intera durata di vita del prodotto.

Conclusioni – meno sprechi alimentari e imballaggi in plastica

L'imballaggio intelligente per alimenti genera continuamente un contenuto informativo digitale/analogico sui prodotti interni durante la loro intera durata di vita, diventando così uno dei mattoni abilitanti della moderna economia basata sui dati.

Ridurre lo spreco di cibo deperibile, ottimizzare l'esposizione sugli scaffali, suggerire quando è il momento perfetto per mangiare e coinvolgere i clienti con esperienze utente migliorate sono solo alcuni esempi dei vantaggi attesi dalla piattaforma.

Siamo partiti da prodotti ortofrutticoli "premium", come la frutta tropicale (avocado, mango e papaya), ma il principio è direttamente applicabile a qualsiasi alimento deperibile le cui caratteristiche chimico/fisiche cambiano notevolmente con il tempo, a condizione che siano adeguatamente addestrati sui set di dati corrispondenti.

Il nostro cliente è stato davvero entusiasta dello studio e ha presentato il sistema RFID - denominato SmartRipe - durante una delle più importanti fiere internazionali del settore alimentare, Macfrut 2019, raccogliendo feedback molto positivi da parte degli operatori del settore.

Smart Ripe è una novità di cui andiamo molto orgogliosi perché va nella direzione di un packaging che non sia solo protezione ma anche elemento di creazione di valore per la filiera ”, spiega Roberto Zanichelli, Direttore Commerciale e Marketing di ILIP. Continua: “In un periodo in cui gli imballaggi in plastica sono oggetto di discussioni anche critiche, proponiamo una visione in cui la sostenibilità del packaging passa anche attraverso funzioni avanzate che creano valore e migliorano la gestione della catena di fornitura.

Sebbene l'approccio "multifisico" descritto sia in una fase iniziale, il cliente ha colto il potenziale della soluzione e ci ha commissionato un nuovo contratto per ulteriori indagini.

Nel complesso, ci siamo divertiti molto durante la caratterizzazione degli avocado. Ne abbiamo mangiati così tanti a pranzo - e abbiamo usato quelli troppo maturi per la salsa guacamole… per fortuna non ci hanno chiesto di testare il cioccolato!

Bibliografia