Eafitenses aprovechan la inteligencia artificial para diagnosticar la roya del cafeto

Mediante el internet de las cosas y dispositivos de inteligencia artificial como la percepción remota, redes de sensores inalámbricas y el aprendizaje profundo —deep learning—, científicos de la Escuela de Ingeniería y del Departamento de Ciencias Biológicas (adscrita a la Escuela de Ciencias) de EAFIT desarrollaron y evaluaron un sistema que permite detectar de manera temprana la roya en las plantaciones de café. 

La herrumbre, como también se le conoce a la roya, es una enfermedad causada por un hongo que ataca generalmente el envés de las hojas, y es el principal problema fitosanitario para los caficultores en Colombia, el cual se reportó por primera vez en la década de los ochenta y es una enfermedad endémica en todas las regiones del mundo donde se produce el grano.

Para la detección y el control de la plaga —que tradicionalmente se realiza por medios manuales y aplicación de fungicidas para las variedades más susceptibles como caturra, o la siembra de semillas resistentes como la variedad colombia que promueven las agremiaciones de cafeteros— los avances presentados por esta nueva investigación permitirán aplicar los desarrollos a “cultivos inteligentes” para un manejo más efectivo en la detección oportuna del patógeno, anticipando, incluso, el diagnóstico del ojo humano.

Según los investigadores, el modelo obtenido es un sistema que mediante imágenes y recursos ópticos entrega datos confiables y diagnostica de manera automática la fase de desarrollo de la roya en el cafeto, un proceso que implica normalmente el monitoreo diario y eficiente por parte de los agricultores para prevenir infecciones potenciales dentro de sus cultivos.

“El resultado es la capacidad de desarrollar un sensor que puede detectar la roya y, de esta manera, no caer en el error humano en la detección de la enfermedad, sino que se pueda hacer de una manera sistematizada, automática, basada en un sistema de aprendizaje por machine learning que, en grado de confiabilidad alto, puede predecir el estado de la roya en una plantación de café”, señala el ingeniero David Velásquez Rendón, coordinador del proyecto y profesor del Departamento de Ingeniería de Sistemas de EAFIT.

Este avance biotecnológico es resultado del trabajo interdisciplinario de la tesis de maestría en Ingeniería de los investigadores Alejandro Sánchez Aristizábal y Sebastián Sarmiento Garavito, con la coordinación académica de los profesores David Velásquez Rendón, del Departamento de Ingeniería de Sistemas, y Luisa Fernanda Posada Uribe, del Departamento de Ciencias Biológicas de EAFIT.

La investigación, que en su primera fase han evaluado el sistema de detección de la roya, fue financiada por Colciencias en la convocatoria Jóvenes Investigadores e Innovadores por la Paz, del año 2017, que finalizó el pasado abril. Para la segunda etapa del estudio, que consiste en el desarrollo de innovaciones tecnológicas para el control de la enfermedad en las plantas, la investigación cuenta con el respaldo del programa Investiga de EAFIT, el modelo de gestión que promueve los proyectos de investigación en la Universidad.

“Para obtener los resultados construimos un cultivo de café a escala con cuatro camas de madera, unas de estas enfermas con roya. Allí hay plataformas que tienen cámaras para tomar imágenes por debajo de las plantas, hay un brazo robótico que gira sobre los lotes para capturar imágenes multiespectrales, que son cámaras que capturan otras longitudes de ondas. Además de la parte mecánica y electrónica, también se realizó la parte de ingeniería de sistemas que es poder orquestar todo ese sistema de manera automática, que haga una rutina donde capture los datos y estos se suban a un servidor para ser posteriormente analizados”, comenta el ingeniero de sistemas e investigador Alejandro Sánchez.

La experimentación de este modelo fue desarrollada en el invernadero de biología de EAFIT, con la variedad caturra, que es uno de los cafés especiales susceptible a la plaga. Para infectar la enfermedad en el cultivo a escala, como parte del proyecto interdisciplinar, estudiantes del pregrado en Biología estuvieron encargados de realizar colectas de roya en cafetales de municipios del Suroeste antioqueño como Ciudad Bolívar, Venecia y Andes.

“Hay una variedad de cafés que se han desarrollado en el tiempo y que son resistentes a la roya, pero el problema es la taza, pues no es un café gourmet con el contenido de ciertas características olfativas que en el mercado son muy apetecidas. Eso ha hecho que las personas comiencen otra vez a producir variedades que son susceptibles a la roya, es decir, que se pueden enfermar. El manejo de ese café es muy complicado porque se tiene que usar gran cantidad de fertilizantes y fungicidas para que la enfermedad no se disemine”, señala la doctora en biotecnología Luisa Fernanda Posada Uribe, coordinadora de la investigación y docente en Ciencias Biológicas de EAFIT.

Con el avance logrado en la evaluación del sistema de detección de la roya, la segunda etapa del estudio está enfocada ahora a encontrar soluciones para el control de la enfermedad dentro de los cultivos. En esta fase, el ingeniero mecánico Sebastián Sarmiento, como coinvestigador del proyecto, trabaja en el desarrollo de un prototipo de aspersión invertida, de acuerdo con modelo evaluado, para la aplicación indicada de fungicida en el envés de las hojas infectadas.

“El aporte más significativo de esta investigación se dio mediante el trabajo en equipo de un grupo multidisciplinario de biólogos, ingenieros de procesos, mecánicos y de sistemas, al generar conocimientos y aportes significativos con mano de obra local sin necesidad de importarla. Es decir, nosotros tenemos la capacidad de sacar este país adelante. Por lo tanto, estos proyectos relacionados con el agro aportan mediante la integración tecnológica al desarrollo rural del país. Es poder aprovechar al máximo y de la manera más sostenible el campo, que es un factor muy importante para la economía”, sostiene el futuro magíster en Ingeniería, Sebastián Sarmiento.

Esta investigación aplicada al desarrollo rural, y que apuesta por la transformación del agro, resaltan los investigadores del proyecto, es un antecedente en los avances científicos que involucran disciplinas como la biología, la agronomía y la ingeniería, líneas investigativas que serán exploradas en el pregrado en Ingeniería Agronómica de EAFIT que comienza clases el segundo semestre de este año. El laboratorio de inteligencia artificial agrícola creado por el proyecto de detección de la roya, ubicado en el invernadero de biología de la Universidad, podrá servir para los fines de próximas investigaciones.

“Viene una tercera fase de esta investigación con el profesor Mauricio Toro Bermúdez, del Departamento de Ingeniería de Sistemas, con base en la información obtenida en este modelo que creamos. Se van a eliminar algunos componentes del sistema que no aportaban información relevante, para que pueda ser escalada sin ningún inconveniente a un dron o un vehículo inteligente. Vamos a utilizar cámaras netamente para detectar la roya por el envés de la hoja. Lo ideal con este proyecto es hacer un modelo de predicción, un poco más sencillo y menos costoso con los sensores que identificamos en esta primera parte del proyecto”, concluye el coordinador David Velásquez, que resalta la experiencia de los Grupos de Investigación en Desarrollo e Innovación en Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (Giditic), y en Ciencias Biológicas y Bioprocesos (Cibiop), que aportan sus conocimientos en estos procesos.