Sterownik plonów kontrolowany przez sztuczną inteligencję może mieć duże znaczenie dla zrównoważonej energii

Fizycy z Duńskiego Uniwersytetu Technicznego opracowali najmniejszy na świecie zbieracz owoców sterowany przez sztuczną inteligencję (AI), który pozwala na zbieranie plonów o wymiarach kilku mikronów.

Kaare Hartvig Jensen, associate professor na wydziale fizyki DTU, postanowił zmniejszyć potrzebę zbierania, transportowania i przetwarzania plonów dla produkcji biopaliw, leków i innych produktów. Substancje, które są ekstrahowane, nazywane są metabolitami roślin, a nowa metoda eliminuje potrzebę procesów chemicznych i mechanicznych.

Badania zostały opublikowane w Plant Physiology.

Metabolity roślin

Metabolity roślin mają szeroki zakres istotnych substancji chemicznych, a takie jak lek przeciwmalaryczny artemizynina mają właściwości terapeutyczne. Inne, takie jak naturalny kauczuk lub biopaliwo z soku drzew, mają właściwości mechaniczne.

Większość metabolitów roślin jest izolowana w poszczególnych komórkach, a metoda ekstrakcji metabolitów jest istotna, ponieważ procedura wpływa na czystość i wydajność produktu. Proces ekstrakcji obejmuje mielenie, centrifugowanie i obróbkę chemiczną z użyciem rozpuszczalników, co skutkuje zanieczyszczeniem, które prowadzi do wysokich kosztów finansowych i środowiskowych.

“Wszystkie substancje są wytwarzane i przechowywane wewnątrz poszczególnych komórek rośliny. To tam trzeba wejść, jeśli chce się uzyskać czysty materiał. Kiedy zbiera się całą roślinę lub oddziela owoce od gałęzi, zbiera się również całą masę tkanek, które nie zawierają substancji, które nas interesują”, mówi Kaare Hartvig Jensen.

“Istnieją dwa punkty widzenia. Jeśli chce się wyodrębnić czyste substancje, trzeba to zrobić komórka po komórce. A kiedy można to zrobić, jak pokazaliśmy, nie trzeba zbierać rośliny. Wtedy można umieścić małego robota i może on pracować bez uszkadzania rośliny”, kontynuuje Kaare.

Na razie zbieracz jest używany z roślinami i liśćmi, ale zespół widzi jego zastosowanie w przyszłości na większą skalę. Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, nowe podejście może stworzyć nowe źródło biomasy i ustanowić nową dziedzinę zrównoważonej produkcji energii.

Potencjalne zastosowanie w przyszłości może być wykorzystanie technologii do pozyskiwania energii z drzew.

“W lasach północnej Kanady i Rosji znajdują się lasy sosnowe z około 740 miliardami drzew, które są całkowicie nietknięte. To około 25% całkowitej liczby drzew na planecie. Rozwijając tę technologię, możemy pozyskiwać cukier z drzew i wytwarzać biopaliwo bez wycinania lub uszkadzania drzew”, wyjaśnia Kaare.

Zbieracz szuka komórek w owocach i liściach o średnicy 100 mikronów, a wierzchołek igły ma średnicę około 10 mikronów.

Magnus Valdemar Paludan jest doktorantem na wydziale fizyki DTU, który stworzył system analizy obrazu, rozpoznawania obrazu i sterowania robotem.

“Wszystko to robione jest za pomocą kamery mikroskopowej. Na początek ręcznie oznaczyłem piksele na obrazach mikroskopowych pokazujących komórki, które robot będzie zbierał. Te informacje mogą być wykorzystane do trenowania komputera w celu znalezienia podobnych komórek w nowych obrazach”, mówi Magnus.

Sztuczna inteligencja i uczenie maszynowe

Nowa technologia opiera się na uczeniu maszynowym i sieci neuronowej GoogLeNet. Sieć jest w stanie rozpoznać mikroskopowe struktury i wykonać zaawansowaną analizę obrazu.

“Użyliśmy techniki transfer learning, gdzie wykorzystuje się istniejącą sieć neuronową do rozpoznawania różnych obiektów na obrazie. Pokazując komputerowi kilka nowych obrazów z ręcznie oznaczonymi komórkami, udało się dostosować parametry sieci, aby rozpoznała mikroskopowe komórki bogate w metabolity”, mówi Magnus.

“Zbieracz może następnie wejść i zrobić zdjęcie liścia za pomocą kamery mikroskopowej, przesłać je przez oprogramowanie i rozpoznać komórki, które musi zebrać. Następnie może wyodrębnić substancje automatycznie za pomocą mikrorobota, podczas gdy reszta rośliny pozostaje nietknięta”, wyjaśnia Magnus.