Cosechadora de cultivos controlada por IA podría tener grandes implicaciones para la sostenibilidad energética

Los físicos de la Universidad Técnica de Dinamarca han desarrollado la cosechadora de frutas más pequeña del mundo controlada por inteligencia artificial (IA), que permite una cosechadora que mide solo unos pocos micrómetros.

Kaare Hartvig Jensen, profesor asociado en DTU Physics, se propuso reducir la necesidad de cosechar, transportar y procesar cultivos para la producción de biocombustibles, productos farmacéuticos y otros productos. Las sustancias que se extraen se llaman metabolitos de plantas, y el nuevo método elimina la necesidad de procesos químicos y mecánicos.

La investigación se publicó en Plant Physiology.

Metabolitos de plantas

Los metabolitos de plantas tienen una amplia gama de sustancias químicas cruciales, y algunos como el medicamento contra la malaria artemisinina tienen propiedades terapéuticas. Otros como el caucho natural o el biocombustible de la savia de los árboles tienen propiedades mecánicas.

La mayoría de los metabolitos de plantas se aíslan en células individuales, y el método de extracción de los metabolitos es importante dado que el procedimiento afecta la pureza y el rendimiento del producto. El proceso de extracción implica molienda, centrifugación y tratamiento químico con disolventes, lo que resulta en contaminación que conduce a altos costos financieros y ambientales de procesamiento.

“Todas las sustancias se producen y almacenan dentro de células individuales en la planta. Ese es el lugar al que debes ir si quieres el material puro. Cuando cosechas toda la planta o separas la fruta de las ramas, también cosechas un montón de tejido que no contiene la sustancia que te interesa”, dice Kaare Hartvig Jensen.

“Entonces, hay dos perspectivas al respecto. Si quieres extraer las sustancias puras, debes hacerlo célula por célula. Y cuando puedes hacerlo, como hemos demostrado, no tienes que cosechar la planta. Luego puedes poner el pequeño robot y puede trabajar sin dañar la planta”, continúa Kaare.

Actualmente, la cosechadora se está utilizando con plantas y hojas, pero el equipo ve que funciona a una escala mayor en el futuro. Si todo funciona según lo planeado, el nuevo enfoque podría crear una nueva fuente de biomasa y establecer un nuevo área de producción de energía sostenible.

Una posible aplicación en el futuro podría ser utilizar la tecnología para aprovechar la energía de los árboles.

“En los bosques del norte de Canadá y Rusia, hay bosques de abedules con alrededor de 740 mil millones de árboles que están completamente intactos. Eso es alrededor del 25% del número total de árboles en el planeta. Al desarrollar esta tecnología, podemos aprovechar los árboles para obtener azúcar y producir biocombustible sin talar o dañar los árboles”, explica Kaare.

La cosechadora busca células en frutas y hojas que tienen un diámetro de 100 micrómetros, y la parte superior de la aguja tiene un diámetro de unos 10 micrómetros.

Magnus Valdemar Paludan es un estudiante de doctorado en DTU Physics que creó el sistema de análisis de imágenes, reconocimiento de imágenes y control de robots.

“Todo se hace con una cámara de microscopio. Al principio, marque manualmente píxeles en las imágenes de microscopio que muestran las células que el robot cosechará. Esa información se puede utilizar para entrenar a una computadora para encontrar células similares en nuevas imágenes”, dice Magnus.

IA y aprendizaje automático

La nueva tecnología se basa en aprendizaje automático y la red neuronal preexistente GoogLeNet. La red es capaz de reconocer estructuras microscópicas y realizar un análisis de imágenes avanzado.

“Utilizamos una técnica llamada transferencia de aprendizaje, donde se utiliza la capacidad de la red neuronal existente para reconocer diferentes objetos en una imagen. Al mostrarle a la computadora una serie de nuevas imágenes con las células marcadas manualmente, logramos ajustar los parámetros de la red para que reconozca las células ricas en metabolitos microscópicos”, dice Magnus.

“La cosechadora puede entrar y tomar una foto de la hoja con la cámara de microscopio, pasarla por el software y reconocer las células que necesita cosechar. Luego, puede extraer los productos químicos automáticamente utilizando un microrobot, mientras que el resto de la planta permanece sin disturbios”, explica Magnus.