Raccolta di colture controllata da intelligenza artificiale: potenziali grandi implicazioni per la sostenibilità energetica

I fisici dell’Università Tecnica della Danimarca hanno sviluppato il più piccolo raccolto di frutta controllato da intelligenza artificiale (AI), che consente a un raccolto di misurare solo pochi micron.

Kaare Hartvig Jensen, professore associato presso il DTU Physics, ha cercato di ridurre la necessità di raccolta, trasporto e lavorazione di colture per la produzione di biocarburanti, farmaci e altri prodotti. Le sostanze che vengono estratte si chiamano metaboliti vegetali e il nuovo metodo elimina la necessità di processi chimici e meccanici.

La ricerca è stata pubblicata in Plant Physiology.

Metaboliti vegetali

I metaboliti vegetali hanno una vasta gamma di sostanze chimiche cruciali e quelli come il farmaco contro la malaria, l’artemisina, hanno proprietà terapeutiche. Altri come la gomma naturale o il biocarburante dal succo degli alberi hanno proprietà meccaniche.

La maggior parte dei metaboliti vegetali sono isolati in cellule individuali e il metodo di estrazione dei metaboliti è importante poiché la procedura influisce sulla purezza e sul rendimento del prodotto. Il processo di estrazione comporta macinazione, centrifugazione e trattamento chimico con solventi, il che comporta inquinamento che porta a costi di lavorazione finanziari e ambientali elevati.

“Tutte le sostanze sono prodotte e immagazzinate all’interno di cellule individuali nella pianta. È lì che devi andare se vuoi il materiale puro. Quando si raccoglie l’intera pianta o si separa il frutto dai rami, si raccoglie anche un sacco di tessuto che non contiene la sostanza di interesse”, afferma Kaare Hartvig Jensen.

“Ci sono due prospettive. Se si desidera estrarre sostanze pure, è necessario farlo cellula per cellula. E quando si può fare, come abbiamo dimostrato, non è necessario raccogliere la pianta. Allora si può mettere il piccolo robot e può lavorare senza danneggiare la pianta”, continua Kaare.

Al momento, il raccolto viene utilizzato con piante e foglie, ma il team lo vede funzionare su larga scala in futuro. Se tutto funziona come previsto, il nuovo approccio potrebbe creare una nuova fonte di biomassa e stabilire una nuova area di produzione di energia sostenibile.

Una possibile applicazione futura potrebbe essere utilizzare la tecnologia per estrarre energia dagli alberi.

“Nei boschi del Canada settentrionale e della Russia, ci sono foreste di abeti con circa 740 miliardi di alberi che sono completamente incontaminati. È circa il 25% del numero totale di alberi sul pianeta. Sviluppando questa tecnologia, possiamo estrarre zucchero dagli alberi e produrre biocarburanti senza abbattere o danneggiare gli alberi”, spiega Kaare.

Il raccolto cerca cellule nel frutto e nelle foglie che hanno un diametro di 100 micron e la parte superiore dell’ago è di circa 10 micron di diametro.

Magnus Valdemar Paludan è uno studente di dottorato presso il DTU Physics che ha creato il sistema di analisi delle immagini, riconoscimento delle immagini e controllo del robot.

“Tutto questo è stato fatto con una telecamera del microscopio. All’inizio, ho manualmente marcato i pixel nelle immagini di microscopia che mostrano le cellule che il robot raccoglierà. Queste informazioni possono essere utilizzate per addestrare un computer a trovare cellule simili in nuove immagini”, afferma Magnus.

Intelligenza artificiale e apprendimento automatico

La nuova tecnologia si basa sull’apprendimento automatico e sulla rete neurale preesistente GoogLeNet. La rete è in grado di riconoscere strutture microscopiche e eseguire un’analisi di immagini avanzata.

“Abbiamo utilizzato una tecnica chiamata transfer learning, dove si utilizza la capacità della rete neurale esistente di riconoscere oggetti diversi in un’immagine. Mostrando al computer un certo numero di nuove immagini con cellule manualmente marcate, siamo riusciti ad adattare i parametri della rete in modo che riconosca le cellule ricche di metaboliti microscopici”, afferma Magnus.

“Il raccolto può quindi entrare e scattare una foto della foglia con la telecamera del microscopio, eseguire il software e riconoscere le cellule che deve raccogliere. Successivamente, può estrarre i chimici in modo automatico utilizzando un microrobot, mentre il resto della pianta rimane indisturbato”, spiega Magnus.