Advanced models and methods for the design and the optimization of soilless growing media

Modern agriculture faces significant environmental and production challenges, necessitating solutions prioritizing resource efficiency, sustainability, and material innovation. Soilless agriculture, which relies on growing plants without traditional soil, represents a promising avenue to address these challenges. This work focuses on the design of cellular materials, proposing an integrated approach for the definition, modeling, and fabrication of innovative substrates for soilless cultivation systems. From a modeling standpoint, the research is based on the inverse homogenization technique, an established paradigm in material design, employed to engineer the microstructure of lattice materials with targeted macroscopic properties. Within this framework, the thesis leverages topology optimization to design porous structures tailored for specific applications, aiming to balance mechanical performance and fluid transport properties in soilless cultivation systems. The numerical resolution of the inverse homogenization topology optimization problem is entrusted to the microSIMPATY algorithm, the evolution of the SIMPATY algorithm for material design that incorporates anisotropic mesh adaptation into the optimization process, i.e., the SIMP method. This technique aligns the discretization with material/void interfaces, improving geometric resolution and reducing computational costs. The thesis extends the microSIMPATY algorithm to 3D settings, addressing multiphysics problems involving both elastic and fluid behaviors. A novel metric-based mesh adaptation algorithm is also introduced, capable of handling periodic boundary conditions in 3D domains. The proposed computational pipeline is applied to the design of scaffolds for soilless cultivation, aiming to replace high-impact traditional substrates with printable structures, obtaining scaffolds with controlled stiffness and permeability properties. Finally, the thesis explores active metamaterials with tunable permeability under external stimuli, opening new perspectives for advanced manufacturing and precision agriculture.

L’agricoltura moderna deve affrontare importanti sfide ambientali e produttive, che richiedono soluzioni capaci di privilegiare l’efficienza nell’uso delle risorse, la sostenibilità e l’innovazione dei materiali. Le coltivazioni soilless, basate sulla coltivazione delle piante in assenza di terreno tradizionale, rappresentano una via promettente per affrontare tali problematiche. Questo lavoro si concentra sulla progettazione numerica di materiali cellulari, proponendo un approccio integrato per la definizione, la modellazione e la fabbricazione di substrati innovativi destinati ai sistemi di coltivazione soilless. Dal punto di vista modellistico, la ricerca si basa sulla tecnica dell’omogeneizzazione inversa, un paradigma consolidato nella progettazione dei materiali, utilizzato per ingegnerizzare la microstruttura di materiali reticolari al fine di ottenere proprietà macroscopiche mirate. In questo contesto, la tesi sfrutta l’ottimizzazione topologica per progettare strutture porose adattate a specifiche applicazioni, con l’obiettivo di bilanciare le prestazioni meccaniche e le proprietà di trasporto dei fluidi nei sistemi di coltivazione soilless. La risoluzione numerica del problema di omogeneizzazione inversa con ottimizzazione topologica è affidata all’algoritmo microSIMPATY, evoluzione dell’algoritmo SIMPATY per la progettazione dei materiali, che integra l’adattamento anisotropo della mesh nel processo di ottimizzazione, ovvero il metodo SIMP. Questa tecnica allinea la discretizzazione con le interfacce materiale/vuoto, migliorando la risoluzione geometrica e riducendo i costi computazionali. La tesi estende l’algoritmo microSIMPATY a domini tridimensionali, affrontando problemi multifisici che coinvolgono sia il comportamento elastico sia quello di trasporto dei fluidi. Inoltre, viene introdotto un nuovo algoritmo di adattamento di mesh basato su metriche, capace di gestire condizioni al contorno periodiche in domini 3D. Il flusso computazionale proposto è applicato alla progettazione di scaffold per la coltivazione soilless, con l’obiettivo di sostituire substrati tradizionali ad alto impatto con strutture stampabili, ottenendo scaffold con proprietà controllate di rigidezza e permeabilità. Infine, la tesi esplora metamateriali attivi con permeabilità regolabile in risposta a stimoli esterni, aprendo nuove prospettive per la manifattura avanzata e l’agricoltura di precisione.