Modélisation et optimisation des paramètres de fonctionnement d’un mécanisme de dosage de type cellule électronique pour supergranulés d’urée (USG) en utilisant l’approche EDEM-RSM

Pourquoi une distribution d’engrais plus intelligente importe

Les riziculteurs du monde entier dépendent des engrais azotés pour maintenir des rendements élevés, mais une grande partie de ces engrais est perdue, lessivée dans l’eau ou libérée sous forme de puissants gaz à effet de serre. Une façon de réduire ces pertes consiste à placer des supergranulés compacts d’urée (USG) profondément dans le sol, près des racines du riz. Cet article décrit un nouveau dispositif électronique capable de déposer ces granulés exactement là où ils sont nécessaires, tout en utilisant la simulation informatique pour affiner la conception avant qu’elle n’arrive sur le terrain.

Du travail manuel aux machines intelligentes

Le placement profond des USG a déjà démontré qu’il peut augmenter les rendements du riz jusqu’à 40 % et presque doubler l’efficacité d’utilisation de l’azote par les plantes. Le problème est que placer chaque granulé à la main est un travail lent et fatigant, que beaucoup d’agriculteurs évitent. Les outils antérieurs pour le placement des USG nécessitaient un effort manuel et n’assuraient pas toujours un espacement uniforme. Les auteurs se sont donc donné pour objectif de concevoir un système de dosage électronique pouvant se fixer sur un transplanteur de riz, alimentant automatiquement les USG dans le sol aux bons emplacements avec un minimum d’effort humain.

Comment le nouveau dispositif délivre chaque granulé

Le cœur du système est un rouleur rotatif doté de quatre petites poches, ou cellules, autour de son pourtour. Au‑dessus se trouve une trémie remplie d’USG. À mesure que le rouleur tourne, chaque cellule doit idéalement capturer exactement un granulé puis le libérer dans un tube de livraison qui l’achemine dans le sillon entre quatre mottes de riz. Un moteur pas à pas, commandé par un microcontrôleur Arduino et synchronisé avec le transplanteur via un codeur rotatif, assure que le rouleur effectue la fraction de tour adéquate pour chaque lot de plants placés. L’équipe pouvait modifier la taille des poches en imprimant des rouleurs en 3D et ajuster la vitesse du rouleur ainsi que le niveau de remplissage de la trémie pour étudier comment ces facteurs influent sur les performances.

Utiliser des granulés virtuels pour ajuster la conception

Plutôt que de se fier uniquement à l’essai‑erreur en laboratoire, les chercheurs ont construit un modèle informatique détaillé du système en utilisant la méthode des éléments discrets, une technique qui simule le mouvement et les collisions de milliers de particules individuelles. Ils ont recréé la forme et les propriétés physiques des granulés USG, la géométrie de la trémie et du rouleur, ainsi que les contacts entre pièces plastiques et engrais. Des capteurs à l’intérieur de la simulation ont compté combien de granulés entraient dans chaque cellule, la fréquence des cellules vides et celle des cellules contenant plus d’un granulé. Ils ont ensuite appliqué une technique statistique appelée méthodologie de surface de réponse pour explorer des combinaisons de surface de poche, vitesse du rouleur et niveau de remplissage de la trémie, à la recherche de réglages donnant des cellules pleines, majoritairement avec un seul granulé, et très peu de ratés ou de doubles.

Trouver le compromis pour un alimentage uniforme

Les simulations ont révélé des tendances claires. Des poches plus grandes augmentent la probabilité que les cellules se remplissent, mais accroissent aussi le risque de capturer plus d’un granulé. Des poches plus petites et des vitesses de rouleur très élevées ont tendance à laisser des cellules vides, car il n’y a pas assez de temps pour que les granulés se stabilisent en place. Une trémie plus pleine aidait au remplissage des cellules mais influait peu sur la probabilité d’avoir un ou plusieurs granulés. En équilibrant ces effets, l’optimisation a suggéré une surface de poche idéale d’environ 1088 millimètres carrés, une vitesse de rouleur d’environ un quart de mètre par seconde, et une trémie remplie aux trois quarts de sa capacité. Dans ces conditions, le modèle prédisait un remplissage parfait des cellules, une forte part de cellules à granulé unique et des taux très faibles de manques et de doubles.

Mettre le modèle à l’épreuve

Pour vérifier les résultats virtuels, l’équipe a construit une unité de dosage physique avec la taille de poche optimisée et l’a montée sur un banc d’essai dans une cuve à sol. Avec la vitesse du rouleur et le remplissage de la trémie réglés aux valeurs choisies, ils ont mesuré la fréquence de remplissage des cellules, le nombre de cellules contenant exactement un USG et l’uniformité de l’espacement des granulés le long du sillon. Les résultats réels concordaient étroitement avec la simulation : 97 % des cellules étaient remplies, 91 % délivraient un seul granulé et seules quelques cellules étaient vides ou doubles. Sur une course de 10 mètres, le motif des granulés dans le sol respectait les normes acceptées pour une bonne uniformité. Une analyse de coût simplifiée suggérait que, associée à un transplanteur, l’applicateur pourrait s’amortir en environ un an et demi d’utilisation.

Ce que cela signifie pour les agriculteurs et le climat

En termes simples, l’étude montre qu’il est possible de concevoir un dispositif additionnel permettant à un transplanteur de riz de placer des granulés d’engrais USG presque parfaitement, avec beaucoup moins de travail manuel que le placement à la main. En combinant des simulations particulaires détaillées et des tests en laboratoire, les auteurs ont identifié des réglages de fonctionnement qui donnent presque un granulé par poche, à intervalles réguliers dans le sol. Si ces systèmes étaient largement adoptés, ils pourraient aider les agriculteurs à appliquer moins d’azote tout en maintenant ou en augmentant les rendements, réduisant à la fois les coûts et les émissions de gaz à effet de serre des rizières inondées.

Citation: Swain, S.S., Khura, T.K., Arjun, P. et al. Modelling and optimization of operating parameters of an electronic cell type metering mechanism for urea super granules (USG) using EDEM-RSM approach. Sci Rep 16, 15622 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43407-w

Mots-clés: supergranulés d’urée, engrais pour riz, agriculture de précision, applicateur d’engrais, méthode des éléments discrets