La impresión 3D en la agricultura: nuevas fronteras en la práctica agrícola

La agricultura ha estado en constante evolución. A lo largo de la historia este sector ha sido impulsado por avances tecnológicos que han permitido, principalmente, aumentar la productividad y mejorar la calidad de los alimentos. Sin embargo, la agricultura se enfrenta a nuevos retos como el cambio climático o las altas demandas de productos. Es por esta razón que la búsqueda de soluciones innovadoras en más apremiante que nunca. Recientes estudios y proyectos han demostrado que una tecnología aliada podría ser la fabricación aditiva. Para tratar de comprender mejor y conocer el papel de la impresión 3D en la agricultura, haremos un análisis en profundidad sobre esta sinergia. A pesar de que aún no es una tecnología que se ha implementado de forma generalizada en las prácticas agrícolas, existen aplicaciones especializadas que han marcado una vía de posibilidades. Por ello, en esta ocasión trataremos de entender las ventajas que ha traído la fabricación aditiva en prácticas que influyen directamente, como la apicultura, y los espacios que aún falta por cubrir.

La agricultura es una actividad que ha sido la base de grandes civilizaciones, incluso antes que la ciencia o la escritura. Las prácticas agrícolas han acompañado a la humanidad desde hace aproximadamente 12.000 años y desde su aparición, la agricultura ha revolucionado la historia transformando los modos de vida. Como bien se sabe, la actividad de cultivar los alimentos propios llevó a la sedentarización que a vez dio paso a la fundación de sociedades. La importancia de la agricultura sigue siendo la misma que hace miles de años ya que es una actividad estratégica para el desarrollo autosuficiente y riqueza de los países. Según datos de la Organización de la Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO), 1.23 billones de personas trabajan en sistemas agroalimentarios. Estos datos se obtuvieron en un estudio realizado en 2019 que también demostró que casi la mitad de la población mundial vivía en hogares vinculados a esos sistemas agroalimentarios.

La agricultura es un sector estratégico pues suministra alimentos a los 8 200 millones de personas que habitan el planeta y materias primas a diversos sectores económicos.

Comprender el papel de la impresión 3D en la agricultura es conocer el papel de la tecnología en sus prácticas. Por muchos siglos; las tareas agrícolas estuvieron muy arraigadas al trabajo de fuerza. Luego de la Revolución Industrial, las actividades agrícolas cambiaron casi por completo con la introducción de máquinas que agilizaron el trabajo manual. Ya a finales del siglo XIX y durante el siglo XX, el uso de maquinaria como los tractores, las cosechadoras y el arado, se vuelve fundamental. En los últimos años, la agricultura ha dado otro gran paso al integrar la tecnología de la información a sus actividades y ha surgido el término Agri-Tech. Este último corresponde al uso de tecnología como vehículos, drones, satélites, robótica, escáneres, ordenadores, software, etc., con el fin de optimizar la producción agrícola. A continuación, echaremos un vistazo a algunas de estas herramientas en las que ha influido la fabricación aditiva y otras nuevas aplicaciones que ha hecho posibles.

¿Cuáles son las aplicaciones de la impresión 3D en la agricultura?

Cuando nos cuestionamos las aplicaciones de la impresión 3D en la agricultura, podemos pensar en ejemplos como la fabricación de herramientas, de piezas de recambio, o los usos en la producción de tractores. Sin embargo, existen muchos otros avances, proyectos de investigación y aplicaciones concretas que han integrado la impresión 3D. Si bien es cierto que la tecnología aún no se ha implementado del todo en la agricultura, como ha sucedido en la medicina o la automoción, en este artículo expondremos que está en buen camino. Para ello, comenzaremos con las aplicaciones más destacadas.

Producción de maquinaria mediante procesos aditivos

La fabricación aditiva se ha hecho espacio en el sector de la automoción y el transporte y usos similares se han observado en la fabricación de maquinaria agrícola. Por ejemplo, en 2022 el reconocido fabricante John Deere produjo en un año más de 4000 piezas utilizando la fabricación aditiva. Este fue su primer paso en la implementación de la fabricación aditiva en su centro especializado en Mannheim, Alemania. Un caso más local es el de la empresa española Teyme que utiliza la tecnología Multi Jet Fusion de HP para la fabricación de componentes como adaptadores para salidas de aire, posicionadores para las palas de aire, etc. Piezas que se incluyen en las maquinarias agrícolas que producen.

Atomizador de Teyme con piezas creadas mediante la tecnología Multi Jet Fusion (créditos: Teyme)

Desarrollo de herramientas personalizadas

La impresión 3D permite el prototipado rápido y económico, frente a otros métodos, de herramientas y componentes específicos para las necesidades agrícolas. Por ejemplo, piezas de maquinaria y equipo de riego que pueden ser adaptados a las condiciones particulares de cada agricultor. Incluso repuestos para máquinas en específico, pensemos en herramientas que se dejan de fabricar, pero se aún se necesitan. Además, la producción de estas herramientas in situ, evita el desplazamiento del agricultor y los tiempos de espera que podrían detener la actividad agrícola. Finalmente, una democratización de la fabricación aditiva puede permitir que tanto pequeños como grandes campos de cultivo pueden hacer uso de la tecnología y sacar provecho de ella.

Fabricación de sensores y dispositivos IoT

Los sensores y dispositivos de Internet de las Cosas (IoT) para monitorear las condiciones del suelo, factores como la humedad, el viento y el clima, pueden ser impresos en 3D. Estos se integran en sistemas agrícolas inteligentes para mejorar la toma de decisiones sobre los cultivos.

Fabricación aditiva de drones y robots

Existen algunos drones y robots agrícolas que se han impreso en 3D. Estos han marcado un gran paso en la implementación de tecnologías de automatización en el campo. En los últimos años, se ha demostrado que estos dispositivos pueden realizar tareas como la supervisión de cultivos, la siembra y la aplicación precisa de fertilizantes y pesticidas. La empresa italiana Soleon, especializada en aplicaciones aéreas no tripuladas y drones, recurrió a los servicios de fabricación aditiva de Materialise para crear el Soleon Dis-co. Partiendo del problema del barrenador del tallo de maíz, una plaga que puede acabar con porciones significativas de cosechas, Soleon y Materialise diseñaron un sistema de distribución de pesticidas. Sin embargo, utilizaron huevecillos de Trichogramma, que es una especie de avispa que se come al barrenador del maíz, resultando en una solución natural. En este caso el dron se imprimió en PA12 y siguiendo el proceso SLS (sinterizado selectivo por láser).

Dron de la empresa italiana Soleon impreso en 3D para el control de plagas (créditos: Soleon)

Producción de envases biodegradables para semillas y plantas

La impresión 3D también puede ser utilizada para crear contenedores o macetas biodegradables para semillas o plántulas, facilitando la siembra y reduciendo el impacto ambiental.

Producción de componentes de irrigación

Los sistemas de riego pueden ser mejorados mediante el diseño para impresión 3D de componentes específicos. Por ejemplo, boquillas y conectores, que optimizan la distribución del agua y reducen el desperdicio.

Fabricación aditiva de dispositivos para el control de plagas

Comenzando con las trampas para insectos, la fabricación aditiva permite diseñar y fabricar trampas específicas para distintos tipos de plagas. Estas pueden ser optimizadas para atraer y capturar insectos. En seguida podemos encontrar aplicaciones en dispositivos de liberación de feromonas que son sustancias químicas para atraer o repeler insectos. Se pueden crear mediante impresión 3D y diseñarse para una dispersión controlada.

Cultivos horizontales

Otra aplicación de la fabricación aditiva se centra en la producción de cultivos horizontales para espacios pequeños. La empresa italiana Hexagro, es especialista en esta aplicación. Ellos siguen procesos de impresión 3D para crear estructuras modulares y personalizables, que pueden ser adaptadas a las necesidades específicas de cada espacio y tipo de cultivo. Esto incluye la fabricación de bandejas, soportes y canales de riego con diseños optimizados para el crecimiento de las plantas y la gestión eficiente del agua y nutrientes. La capacidad de producir componentes a medida y de manera rápida reduce significativamente los costos y tiempos de desarrollo, permitiendo a Hexagro innovar continuamente y mejorar sus sistemas de cultivo.

Cultivo horizontal con conectores impreso en 3D (créditos: Hexagro)

La investigación científica y el papel de la impresión 3D

La investigación en el ámbito de la agricultura ha experimentado una evolución significativa en los últimos años, impulsada por avances tecnológicos que están redefiniendo las prácticas tradicionales. Entre estas innovaciones, la impresión 3D emerge como una herramienta revolucionaria con el potencial de ayudar a definir la agricultura moderna. La convergencia de la fabricación aditiva y la agricultura promete marcar una nueva era en la manera en que se cultiva y se gestionan los recursos agrícolas.

Avances en materiales para la agricultura

El uso de los termoplásticos en la agricultura es extenso. No obstante, los desechos de este repercuten directamente en la salud del suelo y afectan la diversidad biológica. Para contrarrestar estos problemas se proponen soluciones como «el modelo de las 6R»: rechazar, rediseñar, reducir, reutilizar, reciclar y recuperar, propuesto por la ONU, y se incentiva cada vez más a los agricultores a utilizar alternativas naturales o biodegradables. Recientes estudios han encontrado alternativas en materiales con propiedades diferentes. Por ejemplo, una publicación del año 2021 ha propuesto a la impresión 4D como proceso principal para crear materiales útiles en la agricultura. Dicho estudio se ha titulado: Impresión 4D: Perspectivas para la producción de plásticos sostenibles para la agricultura y es el resultado de una colaboración entre la Universidad de Patras, la Universidad de Agricultura de Grecia y el Instituto Italiano de Tecnología de Génova.

La impresión 4D es una evolución de la impresión 3D que añade la dimensión del tiempo. En este caso, los objetos impresos están hechos de materiales inteligentes que pueden cambiar su forma o propiedades en respuesta a estímulos externos, como el calor, la luz, el agua o el movimiento. Si bien la impresión 4D se está utilizando principalmente en ámbitos como el médico, las aplicaciones en la agricultura son menores, por no decir inexistentes. El equipo demuestra con su investigación que si se aplicase la impresión 4D a la agricultura, hay grandes posibilidades de aumentar la biodegradabilidad y los beneficios medioambientales, económicos y productivos de los plásticos en la actividad agrícola. Pero el principal aspecto que aún frena su uso más extenso es la novedad del proceso de impresión 4D.

La impresión 4D ofrece posibilidades de aumentar la biodegradabilidad de los plásticos en la actividad agrícola

¿Qué aportaría la impresión 4D? Algunos materiales con memoria de forma poseen características como la termorresistencia, la magnetorresistencia, la sensibilidad al pH y la sensibilidad a la presión osmótica que los hacen ideales debido a su comportamiento inteligente. Entre las aplicaciones que menciona el equipo de investigación se encuentra el envasado de alimentos, el acolchado agrícola, las redes de sombra o las cubiertas plásticas para invernaderos. Visto que la tecnología FDM ha permitido manejar el PLA y otros polímeros con efecto de autoformación y memoria, es posible que esta técnica relativamente “sencilla” permita llevar a la práctica la creación de herramientas eficaces, escalables y asequibles. Otras técnicas como las basadas en la estereolitografía también reflejaron potencial en aplicaciones agrícolas.

La impresión 3D para la repoblación de la España Vaciada

La «España Vaciada» es un término que explica al despoblamiento rural en vastas zonas de España, especialmente en el interior del país, donde la falta de oportunidades económicas, servicios y empleo ha llevado a un éxodo masivo hacia las ciudades, dejando pueblos y regiones enteras casi deshabitadas. Proyecto Rural3D, como su nombre lo indica, es un proyecto de investigación que explora las posibilidades de generar empleo en algunas zonas al integrar la impresión 3D. Este proyecto es financiado por el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades, y la Fundación COTEC y surge en respuesta al riesgo de despoblación que afecta al 80% del territorio español. Rural3D propone la reindustrialización mediante la fabricación deslocalizada, donde pequeños fabricantes locales utilicen la fabricación aditiva para producir piezas necesarias, en lugar de grandes fábricas centralizadas. Además de centrarse en la rentabilidad, Rural3D busca entender y promover los beneficios sociales, informando a la comunidad rural sobre las ventajas y limitaciones de la impresión 3D. Todo mientras analiza las necesidades y barreras percibidas por las entidades locales y la población rural para la adopción de esta tecnología.

Iñaki García, vicedirector científico del Cenim-CSIC y responsable de Fabricación Aditiva en el proyecto, ha precisado: “Nuestra hipótesis es que la impresión 3D puede crear una alternativa de puestos de trabajo tecnológicos y digitales, frente a los tradicionales basados en la agricultura y el turismo”. Si bien el objetivo de este proyecto no es precisamente optimizar la producción agrícola, como en los otros casos de estudio, Rural3D ha percibido problemáticas que se pueden resolver al implementar la fabricación aditiva.

En una entrevista con Iñaki García especialmente para este reportaje, él explicaba que percibieron un gran interés por innovaciones que facilitaran la mano de obra. Los agricultores a veces limitan la extensión de sus cultivos, no necesariamente por la falta de maquinaria especial, sino por falta de mano de obra. “En esta aplicación surge la capacidad de la impresión 3D de polímeros blandos para diseñar pinzas o recolectores a medida para diferentes frutas y verduras delicadas. La capacidad de la impresión 3D en el diseño rápido y adaptativos de soluciones a medida puede ser muy interesante para adaptar los sistemas de recolección mecánica”, añade sobre la sinergia de la agricultura y la impresión 3D.

“Por otro lado, otro de los puntos de encuentro de la agricultura y la impresión 3D es en el aprovechamiento de los residuos vegetales como refuerzo de polímeros o hormigón en la fabricación de muebles, objetos o mobiliario urbano. Existen empresas que por ejemplo están utilizando los residuos del corcho y a nivel de investigación se están estudiando el esparto y otras fibras”. Si bien la fabricación aditiva puede ser una aliada para el desarrollo económico de las zonas rurales, los desafíos aún son muchos y tienen que ver especialmente con el poco conocimiento de la tecnología.

La impresión 3D en el estudio del suelo

El suelo es uno de los elementos clave, sino el más importante, en la práctica agrícola. Su estudio es fundamental para comprender el impacto de la actividad humana y el efecto de características hidráulicas, químicas y microbiológicas. En un estudio publicado en 2020 y llevado a cabo por la Universidad de Padova en Italia, se reprodujo la estructura del suelo con el fin de comprender su funcionamiento. Esto lo hicieron mediante microtomografía computada por Rayos X, a partir de la cual tomaron los datos e imprimieron en resina la estructura del suelo con ayuda de la impresora ProJet 3510 HD de 3D Systems, una solución de inyección de material. Gracias a esos modelos impresos en 3D se pudo reconstruir la estructura original de las muestras de suelo, incluyendo la porosidad y la forma de los poros. Aunque su conductividad entre poros se vio reducida debido a limitaciones técnicas durante la impresión, el equipo pudo medir la conductividad hidráulica de la mayoría de los prototipos, mostrando buena correlación. Este estudio contribuyó a expandir las fronteras del estudio de las ciencias del suelo.

Impresiones en 3D de pruebas de distintos suelos (créditos: European Journal of Soil Science)

Otro ejemplo en el cual se ha recurrido a la fabricación aditiva para el estudio del suelo lo encontramos en una publicación del 2021 por parte de un equipo multidisciplinar de la Universidad de Virginia en Estados Unidos. El estudio tiene el título: La impresión 3D de estructuras de suelo biológicamente activas y en este caso, se analizan las posibilidades de imprimir en 3D estructuras de suelo en las cuales germinar semillas. Para lograrlo, imprimieron estructuras de suelo sin aditivos utilizando métodos de extrusión. Los resultados mostraron que cuando el contenido de agua se controla de forma adecuada, las estructuras impresas son capaces de soportar la germinación y el crecimiento de las plantas, aunque necesitan mucha agua. Si bien, la investigación se enfoca en demostrar la viabilidad de los llamados Green Roofs o techos verdes, el mismo principio se podría aplicar para sembrar hierbas como el cilantro, la menta, el perejil, la albahaca, etc.

«Paredes vivas» impresas en 3D, muestran el crecimiento de vegetación luego de 144 horas (créditos: University of Virginia)

El fenotipado de plantas

El fenotipado en la agricultura es un proceso de observación y análisis de las plantas para hacer predicciones sobre su estado en un determinado espacio. En concreto, el fenotipo es el resultado de la interacción entre la información genética de una planta cuando interactúa con el ambiente y sirve para comprender mejor su crecimiento, desarrollo y respuesta a esas condiciones ambientales. Un estudio publicado este año 2024, ha marcado un hito en el uso de la fabricación aditiva en el fenotipado de plantas. Se trata de una colaboración entre el Instituto de Investigación de la Remolacha Azucarera (IFZ), y la Universidad de Bonn, que ha dado como resultado un modelo de planta impreso en 3D para obtener un fenotipo preciso y fiable.

Con el fin de tener una herramienta de referencia durante el proceso de recopilación de datos y extracción de parámetros, los científicos desarrollaron un modelo de planta de remolacha azucarera impreso en 3D con tecnología FDM. El innovador estudio fue dirigido por un estudiante de doctorado del IFZ. Jonas Bömer ha compartido la importancia de este modelo: «La impresión 3D nos ha permitido crear una herramienta de referencia rentable para garantizar la integridad de nuestros datos recopilados».

Esta investigación también ha utilizado en gran medida el escaneo 3D para la obtención de datos. En efecto, el escaneo 3D permite crear modelos digitales de alta resolución de los cultivos, facilitando el seguimiento de su crecimiento, desarrollo y detección de posibles problemas a tiempo. Jonas Bömer sostiene que, «mediante el análisis del terreno, los agricultores pueden mejorar la gestión del suelo y aplicar medidas para evitar su erosión. Otra cuestión que puede abordarse interpretando la información de profundidad es la interacción de los robots con los cultivos. Un ejemplo es la recolección de fruta en invernaderos automatizados, que reduce y simplifica las tareas de recolección que requieren mucha mano de obra».

El modelo de referencia impreso en 3D para la remolacha azucarera (créditos: GigaScience)

La impresión 3D en la apicultura

La apicultura y la agricultura son actividades que están estrechamente relacionadas. La actividad apícola desempeña un papel crucial en la agricultura debido a su contribución esencial al proceso de polinización, un mecanismo vital para la reproducción de muchas plantas y cultivos. De acuerdo con datos de la FAO, las especies polinizadoras influyen directamente en el 35% de la producción agrícola mundial e indirectamente en un 75%. Además de las 200 000 especies que contribuyen a la polinización, las 20 000 especies de abejas son el polinizador por excelencia. La interdependencia entre las abejas y las plantas cultivadas no solo subraya la importancia de preservar y apoyar las prácticas apícolas, sino que también destaca la necesidad de proteger a las abejas. Amenazas como pesticidas, enfermedades y pérdida de hábitat están retrasando la sostenibilidad y productividad de la agricultura a nivel global.

Para responder a algunas de las problemáticas que están perjudicando a las distintas especies de abejas, los apicultores han encontrado soluciones con ayuda de la fabricación aditiva. Por ejemplo, recientemente, un estudiante de máster en México desarrolló una colmena impresa con resina para estimular la producción de miel de las abejas. Conviene destacar también a la Fundación LACRIMA, en Reino Unido, que imprime en 3D, y con madera, colmenas para proteger colonias. Sus colmenas LacriNest se imprimen siguiendo un proceso de extrusión de material y proporcionan a las abejas un ecosistema natural y sin alteraciones.

Las mejores condiciones que ofrecen nuestras colmenas impresas en 3D han dado lugar a colonias de abejas más sanas. Esto se ha traducido en notables mejoras de la productividad agrícola en las zonas donde se utilizan nuestras colmenas. Vince Moucha para 3Dnatives (créditos: LACRIMA)

El fundador y presidente de la fundación, Vince Moucha, ha expresado para este artículo: «Nuestras colmenas impresas en 3D utilizan un material especial totalmente biodegradable, un compuesto a base de madera, que las diferencia de las colmenas tradicionales y de otras alternativas impresas en 3D. Este material y nuestro diseño de colmena en forma de tronco no solo garantizan la sostenibilidad medioambiental, sino que también proporcionan un excelente aislamiento y durabilidad, creando un entorno óptimo para las abejas y mejorando su salud y productividad».

Como lo han demostrado distintos estudios realizados a nivel mundial, las abejas están en peligro debido al uso intensivo de pesticidas, destrucción de su hábitat, los efectos del cambio climático, entre otras razones. La disminución de las abejas no solo afecta la producción de miel y otros productos apícolas, sino que también pone en riesgo la polinización de una gran variedad de cultivos. Este no es un problema reciente, desde el siglo pasado se comenzaron a remarcar los primeros signos de alarma y en el 2000 se estableció la Iniciativa Internacional sobre Polinizadores, en la COP 5. Un compromiso de las naciones que incluye prácticas de producción agrícola en favor de las especies polinizadoras. Una solución que se ha encontrado es precisamente la fabricación de colmenas para aportarles un hábitat de anidación.

Colmena de madera impresa en 3D (créditos: LACRIMA)

El fundador de LACRIMA agrega: «Las colmenas impresas en 3D pueden integrarse en prácticas agrícolas sostenibles fomentando la producción local, reduciendo las emisiones del transporte y utilizando materiales reciclables. Además, pueden formar parte de sistemas integrados de gestión de plagas, reduciendo la necesidad de tratamientos químicos».

¿Cuál es el futuro de la impresión 3D en la agricultura?

Los proyectos mencionados, las aplicaciones, los beneficios identificados y los resultados ya observados confirman que la impresión 3D tiene posibilidades de desarrollo dentro de la agricultura. En cierta medida, esta tecnología se encuentra en sus primeras etapas dentro del sector agrícola. Sin embargo, los proyectos que abordamos aquí confirman que su potencial es vasto y prometedor.

Dado que la agricultura es una actividad muy antigua y que sus prácticas no solo están arraigadas a técnicas específicas sino también a tradiciones, nos podemos cuestionar si ¿una tecnología tan innovadora como la fabricación aditiva tiene campo en la agricultura? Porque si se preservan las prácticas tradicionales en el campo, es por una razón ¿no? La verdad es que el sector agrícola nunca deja pasar una oportunidad para innovar. Aunque aún no se generalice el uso de la impresión 3D en concreto, sí que se han aprovechado otras tecnologías.

Por ahora, los avances más notables los podemos encontrar en la investigación científica. Los expertos, además de centrarse en una materia, también se están encargando de buscar soluciones a los problemas actuales. Los ejemplos de investigación mencionados aquí solo son algunos de los muchos más que deben existir en países donde el sector es más grande, como en China. A medida que la tecnología continúe desarrollándose y la investigación encuentre nuevas soluciones mediante la fabricación aditiva, esperamos ver una adopción más generalizada e innovaciones aún más disruptivas.

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