KI-gesteuerter Ernter könnte große Auswirkungen auf die Energie-Nachhaltigkeit haben

Physiker an der Technischen Universität Dänemarks haben den weltweit kleinsten von künstlicher Intelligenz (KI) gesteuerten Fruchternter entwickelt, der es ermöglicht, einen Ernter mit einer Größe von nur wenigen Mikrometern zu bauen.

Kaare Hartvig Jensen, Associate Professor am DTU Physics, wollte den Bedarf an Ernte, Transport und Verarbeitung von Pflanzen für die Produktion von Biokraftstoffen, Pharmazeutika und anderen Produkten reduzieren. Die extrahierten Substanzen werden Pflanzenmetabolite genannt, und die neue Methode eliminiert die Notwendigkeit von chemischen und mechanischen Prozessen.

Die Forschung wurde in Plant Physiology veröffentlicht.

Pflanzenmetabolite

Pflanzenmetabolite haben eine breite Palette von wichtigen Chemikalien, und solche wie das Malaria-Medikament Artemisinin haben therapeutische Eigenschaften. Andere wie Naturkautschuk oder Biokraftstoff aus Baumsaft haben mechanische Eigenschaften.

Die meisten Pflanzenmetabolite werden in einzelnen Zellen isoliert, und die Methode der Extraktion der Metabolite ist wichtig, da das Verfahren die Reinheit und den Ertrag des Produkts beeinflusst. Der Extraktionsprozess umfasst Mahlen, Zentrifugation und chemische Behandlung mit Lösungsmitteln, was zu einer Verschmutzung führt, die zu hohen finanziellen und Umweltkosten führt.

“Alle Substanzen werden in einzelnen Zellen der Pflanze produziert und gespeichert. Dort muss man hineingehen, wenn man das reine Material haben möchte. Wenn man die ganze Pflanze erntet oder die Früchte von den Zweigen trennt, erntet man auch einiges an Gewebe, das die Substanz, an der man interessiert ist, nicht enthält”, sagt Kaare Hartvig Jensen.

“Es gibt zwei Perspektiven darauf. Wenn man die reinen Substanzen extrahieren möchte, muss man es Zelle für Zelle tun. Und wenn man das, wie wir es gezeigt haben, tun kann, muss man die Pflanze nicht ernten. Dann kann man den kleinen Roboter aufsetzen und er kann ohne die Pflanze zu beschädigen arbeiten”, fährt Kaare fort.

Derzeit wird der Ernter mit Pflanzen und Blättern verwendet, aber das Team sieht ihn in Zukunft auf größere Skala arbeiten. Wenn alles nach Plan läuft, könnte die neue Methode eine neue Quelle für Biomasse schaffen und ein neues Gebiet für nachhaltige Energieproduktion etablieren.

Eine mögliche Anwendung in der Zukunft könnte die Nutzung der Technologie sein, um Energie aus Bäumen zu gewinnen.

“In den Wäldern Nordkanadas und Russlands gibt es Tannenwälder mit etwa 740 Milliarden Bäumen, die völlig unberührt sind. Das sind etwa 25% der Gesamtzahl der Bäume auf dem Planeten. Durch die Entwicklung dieser Technologie können wir Bäume für Zucker anzapfen und Biokraftstoff herstellen, ohne die Bäume zu fällen oder zu beschädigen”, erklärt Kaare.

Der Ernter sucht nach Zellen in Früchten und Blättern, die 100 Mikrometer im Durchmesser haben, und die Spitze der Nadel ist etwa 10 Mikrometer im Durchmesser.

Magnus Valdemar Paludan ist ein PhD-Student am DTU Physics, der das System der Bildanalyse, Bilderkennung und Robotersteuerung entwickelt hat.

“Alles wird mit einer Mikroskoppkamera gemacht. Zunächst habe ich manuell Pixel auf den Mikroskopbildern markiert, die die Zellen zeigen, die der Roboter ernten wird. Diese Informationen können verwendet werden, um einen Computer zu trainieren, um ähnliche Zellen in neuen Bildern zu finden”, sagt Magnus.

KI und Maschinelles Lernen

Die neue Technologie basiert auf maschinellem Lernen und dem vorherigen neuronalen Netzwerk GoogLeNet. Das Netzwerk kann mikroskopische Strukturen erkennen und erweiterte Bildanalyse durchführen.

“Wir haben eine Technik namens Transfer-Lernen verwendet, bei der man das bestehende neuronale Netzwerk verwendet, um verschiedene Objekte in einem Bild zu erkennen. Indem man dem Computer eine Reihe neuer Bilder mit den manuell markierten Zellen zeigt, konnten wir die Parameter des Netzwerks anpassen, um die mikroskopischen metabolitreichen Zellen zu erkennen”, sagt Magnus.

“Der Ernter kann dann hineingehen und ein Bild des Blattes mit der Mikroskoppkamera aufnehmen, es durch die Software laufen lassen und die Zellen erkennen, die er ernten muss. Als nächstes kann er die Chemikalien automatisch mit einem Mikroroboter extrahieren, während der Rest der Pflanze ungestört bleibt”, erklärt Magnus.