Cómo los gemelos digitales están cambiando la gestión hídrica y nutricional de los cultivos

La agricultura de precisión es una metodología que busca optimizar el rendimiento de los cultivos y mejorar la toma de decisiones mediante el uso de sensores avanzados y herramientas tecnológicas de análisis. 

Este enfoque innovador y digital permite aumentar la producción, reducir la demanda de mano de obra y gestionar de manera más eficiente el uso de fertilizantes y los procesos de riego.

En este contexto, los gemelos digitales en la agricultura están adquiriendo mayor relevancia gracias a avances tecnológicos como el Internet de las Cosas (IoT, sigla en inglés para Internet of Things), la Inteligencia Artificial (IA) y la teledetección, que permiten la recopilación de datos mediante sensores, drones y satélites para monitorear condiciones agrícolas y predecir resultados con mayor precisión.

En definitiva, los gemelos digitales permiten integrar una gran cantidad de datos, incluso en tiempo real, lo que facilita la predicción de situaciones no deseadas y la propuesta de soluciones que pueden evitar impactos negativos y optimizar el uso de recursos externos.

¿Qué es un gemelo digital?

Un gemelo digital es una réplica virtual de un objeto o sistema físico que refleja su comportamiento y estado a lo largo de su ciclo de vida, integrando datos en tiempo real para ofrecer una representación digital precisa. Se clasifica en las siguientes categorías:

• Gemelo digital imaginario: representa un objeto que aún no ha sido creado, definiendo las especificaciones necesarias, como requisitos funcionales y recursos materiales, y permitiendo la simulación del comportamiento de estos objetos diseñados pero no existentes.
• Gemelo digital de monitoreo: proporciona una representación digital en tiempo real del estado y comportamiento actual de un objeto físico, permitiendo su seguimiento y diagnóstico de condiciones junto con su entorno.
• Gemelo digital predictivo: proyecta el estado futuro de los objetos físicos basándose en datos en tiempo real y análisis predictivos, utilizando herramientas como pronósticos y aprendizaje automático.
• Gemelo digital prescriptivo: recomienda acciones correctivas y preventivas a partir del análisis de datos de monitoreo y predicción, ofreciendo sugerencias optimizadas para que los responsables tomen decisiones informadas.
• Gemelo digital autónomo: opera de manera independiente, controlando completamente los objetos reales sin intervención humana, adaptándose a su entorno y auto diagnosticando sus necesidades de servicio.
• Gemelo digital de recuerdo: almacena el historial completo de un objeto físico, incluso cuando ya no existe. Es crucial para reducir el impacto ambiental, rastrear el origen de los productos y asegurar el cumplimiento de normas de sostenibilidad.

Originalmente utilizados en la gestión del ciclo de vida de productos, los gemelos digitales han ampliado su aplicación a la agricultura de precisión. Estos permiten la supervisión, el control y la simulación remota de sistemas agrícolas.

Gemelos digitales aplicados a la agricultura

A diferencia de los modelos tradicionales, los gemelos digitales integran múltiples fuentes de datos y utilizan el aprendizaje continuo para ofrecer información precisa y actualizada. Sus principales aplicaciones abarcan la gestión ganadera, el manejo de cultivos y la agricultura en invernaderos, mejorando tanto la eficiencia como la sostenibilidad.

En la agricultura de precisión, los gemelos digitales proporcionan representaciones virtuales en tiempo real de entidades físicas, como vacas o campos, lo que permite tomar decisiones basadas en datos procesables. 

Adicionalmente, las funcionalidades avanzadas de esta tecnología, como la simulación, optimización y el uso de aprendizaje automático permiten predecir y controlar el comportamiento futuro de los cultivos.

Los datos sobre el estado de los objetos se capturan mediante sensores y se traducen en gemelos digitales, los cuales facilitan un monitoreo continuo, una toma de decisiones informada y la implementación de intervenciones a través de sistemas remotos.

No obstante, su desarrollo sigue implicando altos costos, lo que todavía ha limitado su adopción principalmente a organizaciones con grandes presupuestos de I+D o involucradas en proyectos europeos, especialmente aquellas enfocadas en sistemas de producción de alto valor o cultivos estratégicos.

A continuación, se describen algunas de las aplicaciones actuales de esta tecnología en la agricultura, las cuales están impulsando su implementación y que deben facilitar su adopción a gran escala en el futuro.

- Optimización de huertos frutícolas

Un estudio reciente realizado en Corea sobre cultivos de mandarinas demostró que los gemelos digitales pueden monitorear a nivel regional, inter huerto e intra huerto, siendo este último particularmente eficaz para explicar las variaciones en la calidad de la fruta.

Esto subraya el potencial de los gemelos digitales para promover una agricultura individualizada, en la que cada árbol o planta recibe un tratamiento específico según sus necesidades, de manera similar a la medicina personalizada.

Entre los principales beneficios de esta tecnología se encuentran:

• Mayor precisión en la aplicación de insumos como agua, fertilizantes y pesticidas.
• Reducción del desperdicio de recursos.
• Mejora en la calidad del producto agrícola. 

Adicionalmente, los datos recopilados y analizados a través de gemelos digitales permiten prever rendimientos, optimizar prácticas agrícolas y mejorar la toma de decisiones, tanto para agricultores como para distribuidores y responsables de políticas.

- Mejora en la gestión de viñedos 

Los gemelos digitales brindan importantes ventajas en la gestión de viñedos y en la mejora de la sostenibilidad del sector. En particular, permiten el monitoreo en tiempo real de las condiciones del suelo, los patrones climáticos y el grado de madurez de las uvas.

Adicionalmente, los modelos matemáticos desarrollados son capaces de predecir el crecimiento vegetativo y productivo del viñedo, como el área foliar, la longitud de los brotes, la masa del cultivo o los parámetros cualitativos del producto, como el contenido de azúcar y acidez, o la huella hídrica asociada. 

En concreto, los gemelos digitales adoptan un enfoque de balance hídrico, integrando el estrés hídrico y térmico para evaluar la calidad esperada de las uvas. Su rasgo distintivo es la retroalimentación entre la calidad de la vid y su crecimiento vegetativo, lo que permite optimizar la gestión y reducir el impacto ambiental del viñedo.

Este sistema permite a los viticultores predecir el momento óptimo para la cosecha y ajustar los procesos de producción, lo que se traduce en una mejora de la calidad del vino y en un uso más eficiente de los recursos.

- Gestión eficiente del agua

Por otro lado, un gemelo digital permite la interacción en tiempo real entre un objeto físico, como un sistema de riego y su representación virtual, lo que facilita la optimización y el control de los procesos agrícolas, además de crear simulaciones de posibles escenarios.

Los sistemas de riego inteligentes, operando con gemelos digitales, permiten evaluar el comportamiento del sistema antes de su implementación en el campo, reduciendo el riesgo de errores y garantizando un funcionamiento eficiente.

Uno de los mayores beneficios de los gemelos digitales es la capacidad de predecir y simular diferentes estrategias de riego antes de aplicarlas, lo que permite a los agricultores tomar decisiones fundamentadas sin poner en riesgo la salud de los cultivos. 

Adicionalmente, los gemelos digitales recopilan datos de diversas fuentes, como el suelo, el clima y los cultivos, ajustando de manera precisa la cantidad de agua requerida. Esta precisión puede mejorar la eficiencia en el uso del agua hasta en un 50 %, lo cual es fundamental en un contexto donde la agricultura consume gran parte del agua dulce disponible a escala mundial.

- Agricultura vertical e invernaderos

La agricultura vertical y en invernaderos utiliza gemelos digitales para replicar y optimizar sus cultivos en interiores. A través de plataformas especializadas, se modelan sistemas de flujo de aire, humedad y suministro de nutrientes, maximizando el crecimiento de las plantas en entornos controlados. 

Los modelos virtuales se actualizan constantemente con datos en tiempo real obtenidos por sensores inteligentes, lo que permite a los agricultores ajustar variables clave y crear condiciones óptimas para cultivos como las verduras de hoja verde. 

Esta tecnología no solo mejora los rendimientos, sino que también reduce el consumo de energía y fomenta un modelo agrícola más sostenible.

En definitiva, las aplicaciones de los gemelos digitales están avanzando y cada vez abarcando más tipos de cultivos y expandiendo sus aplicaciones. 

A continuación, se presentarán dos proyectos europeos que están implementando la aplicación de gemelos digitales en la agricultura, promoviendo la digitalización del sector y ampliando la aplicabilidad de este tipo de innovación.

Casos de éxito

- SmartCrops 5.1

En el proyecto SmartCrops 5.1, el consorcio está compuesto por ocho empresas del sector agrícola y tecnológico, entre las que destacan Familia Torres, Trops, Florette Ibérica y Bodega Matarromera, junto con siete centros de investigación nacionales, como el CSIC y la Universidad de Almería.

El objetivo del proyecto es que los gemelos digitales desempeñen un papel fundamental en la optimización de la producción agrícola sostenible en climas semiáridos, abordando los desafíos del cambio climático. 

Estos gemelos permiten la creación de réplicas virtuales de cultivos leñosos y hortícolas, integrando datos en tiempo real provenientes de sensores, drones y sistemas de monitoreo en campo. 

Mediante la simulación y el análisis de estos datos, los gemelos digitales son capaces de predecir y evaluar el comportamiento de los cultivos ante diversas variables, como la disponibilidad de agua, la fertilidad del suelo y las condiciones climáticas cambiantes. 

Esta tecnología, desarrollada en el marco del proyecto, facilita la toma de decisiones informadas, optimizando el uso de recursos y ajustando las prácticas agrícolas para maximizar tanto la eficiencia como la sostenibilidad de las explotaciones.

Adicionalmente, los gemelos digitales proporcionan a los agricultores herramientas avanzadas que les permiten anticipar problemas como el estrés hídrico o la aparición de plagas, permitiendo una intervención proactiva y predictiva para minimizar los impactos posibles negativos en los cultivos.

En conclusión, SmartCrops 5.1 impulsa un modelo de agricultura más resiliente y adaptado a los desafíos ambientales presentes y futuros, maximizando el potencial que ofrece la agricultura de precisión.

- iVine

El proyecto iVine, financiado por la Región de Toscana en colaboración con Agrobit, tiene como objetivo validar la aplicación iAgro para optimizar la gestión de viñedos y reducir el uso de pesticidas. Mediante la tecnología de gemelos digitales, es posible crear representaciones virtuales detalladas del viñedo, integrando datos obtenidos a través de sensores y algoritmos de IA.

En este caso práctico, los gemelos digitales permiten monitorear de manera precisa parámetros biométricos claves del viñedo, que incluyen:

• Índice de área foliar.
• Volumen de las planas. 

Al controlar estos aspectos, los agricultores pueden optimizar los tratamientos fitosanitarios, disminuyendo el impacto ambiental en la producción vitivinícola.

Entre las ventajas de los gemelos digitales en esta aplicación destacan la capacidad de realizar monitoreos en tiempo real y a bajo costo, lo que contribuye a reducir el uso de insumos, mejorar la sostenibilidad tanto económica como ambiental. 

Las pruebas realizadas en el marco del proyecto han arrojado resultados positivos, evidenciando una alta correlación entre los datos obtenidos por distintos métodos y el uso eficiente de tratamientos a tasa variable, lo que permite reducir el consumo de pesticidas y optimizar el uso de los recursos.

Se espera que el proyecto logre una reducción significativa en el uso de fitofármacos y agua, disminuyendo estos insumos hasta en un 50 % gracias a la mayor precisión en las aplicaciones. Además, se prevé una reducción del riesgo de contaminación de aguas superficiales y subterráneas en un 50 %, promoviendo una menor contaminación ambiental.

Bibliografía

1. Verdouw, C., Tekinerdogan, B., Beulens, A., & Wolfert, S. (2021). Digital twins in smart farming. Agricultural Systems, 189, 103046. Disponible en: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0308521X20309070
2. Kim, S., & Heo, S. (2024). An agricultural digital twin for mandarins demonstrates the potential for individualized agriculture. Nature Communications, 15(1), 1561. Disponible en: https://www.nature.com/articles/s41467-024-45725-x