Colhedora de Culturas Controlada por IA Pode Ter Grandes Implicações para a Sustentabilidade Energética

Físicos da Universidade Técnica da Dinamarca desenvolveram a menor colhedora de frutas controlada por inteligência artificial (IA) do mundo, que permite que uma colhedora com apenas alguns micrômetros seja utilizada.

Kaare Hartvig Jensen, professor associado do DTU Physics, buscou reduzir a necessidade de colheita, transporte e processamento de culturas para a produção de biocombustíveis, medicamentos e outros produtos. As substâncias que são extraídas são chamadas de metabólitos de plantas, e o novo método elimina a necessidade de processos químicos e mecânicos.

A pesquisa foi publicada em Plant Physiology.

Metabólitos de Plantas

Os metabólitos de plantas têm uma ampla gama de substâncias químicas cruciais, e alguns, como o medicamento contra a malária artemisinina, têm propriedades terapêuticas. Outros, como o borracha natural ou o biocombustível da seiva das árvores, têm propriedades mecânicas.

A maioria dos metabólitos de plantas é isolada em células individuais, e o método de extração dos metabólitos é importante, pois o procedimento afeta a pureza e o rendimento do produto. O processo de extração envolve moagem, centrifugação e tratamento químico com solventes, o que resulta em poluição que leva a altos custos financeiros e ambientais de processamento.

“Todas as substâncias são produzidas e armazenadas dentro de células individuais da planta. É lá que você precisa ir se quiser o material puro. Quando você colhe a planta inteira ou separa o fruto dos galhos, você também colhe um monte de tecido que não contém a substância que você está interessado”, diz Kaare Hartvig Jensen.

“Há duas perspectivas para isso. Se você quiser extrair as substâncias puras, você precisa fazer isso célula por célula. E quando você pode fazer isso, como mostramos, você não precisa colher a planta. Então, você pode colocar o pequeno robô e ele pode trabalhar sem danificar a planta”, continua Kaare.

Atualmente, a colhedora está sendo usada com plantas e folhas, mas a equipe vê seu uso em uma escala maior no futuro. Se tudo funcionar conforme planejado, a nova abordagem pode criar uma nova fonte de biomassa e estabelecer uma nova área de produção de energia sustentável.

Uma aplicação potencial no futuro pode ser usar a tecnologia para aproveitar a energia das árvores.

“Nas florestas do norte do Canadá e da Rússia, há florestas de abetos com cerca de 740 bilhões de árvores que são completamente intocadas. Isso é cerca de 25% do total de árvores no planeta. Ao desenvolver essa tecnologia, podemos aproveitar as árvores para obter açúcar e produzir biocombustível sem derrubar ou danificar as árvores”, explica Kaare.

A colhedora procura células em frutos e folhas que têm 100 micrômetros de diâmetro, e a parte superior da agulha tem cerca de 10 micrômetros de diâmetro.

Magnus Valdemar Paludan é um estudante de doutorado do DTU Physics que criou o sistema de análise de imagens, reconhecimento de imagens e controle de robô.

“Tudo é feito com uma câmera de microscópio. Para começar, eu marquei manualmente os pixels nas imagens de microscópio que mostram as células que o robô irá colher. Essa informação pode ser usada para treinar um computador para encontrar células semelhantes em novas imagens”, diz Magnus.

IA e Aprendizado de Máquina

A nova tecnologia depende do aprendizado de máquina e da rede neural pré-existente GoogLeNet. A rede é capaz de reconhecer estruturas microscópicas e realizar análises de imagem avançadas.

“Nós usamos uma técnica chamada transferência de aprendizado, onde você usa a capacidade da rede neural existente de reconhecer diferentes objetos em uma imagem. Ao mostrar ao computador um número de novas imagens com as células manualmente marcadas, conseguimos ajustar os parâmetros da rede para que ela reconheça as células ricas em metabólitos microscópicos”, diz Magnus.

“A colhedora pode então entrar e tirar uma foto da folha com a câmera de microscópio, processá-la pelo software e reconhecer as células que precisa colher. Em seguida, ela pode extrair os produtos químicos automaticamente usando um microrrobô, enquanto o resto da planta permanece intacto”, explica Magnus.