Искусственно-контролируемый сборщик урожая может иметь большое значение для энергетической устойчивости

Физики из Технического университета Дании разработали самый маленький в мире сборщик фруктов, контролируемый искусственным интеллектом (ИИ), который позволяет сборщику размером всего несколько микрон.

Кааре Хартвиг Йенсен, доцент кафедры физики DTU, поставил цель уменьшить потребность в сборе, транспортировке и обработке культур для производства биотоплива, фармацевтических препаратов и других продуктов. Вещества, которые извлекаются, называются растительными метаболитами, и новый метод исключает необходимость химических и механических процессов.

Исследование было опубликовано в Plant Physiology.

Растительные метаболиты

Растительные метаболиты имеют широкий спектр важных химических веществ, и такие как противомалярийный препарат артемизинин имеют терапевтические свойства. Другие, такие как натуральный каучук или биотопливо из сока деревьев, имеют механические свойства.

Большинство растительных метаболитов изолируются в отдельных клетках, и метод их извлечения важен, поскольку процедура влияет на чистоту и выход продукта. Процесс извлечения включает в себя помол, центрифугирование и химическую обработку с использованием растворителей, что приводит к загрязнению, которое приводит к высоким финансовым и экологическим затратам на обработку.

“Все вещества производятся и хранятся внутри отдельных клеток растения. Именно туда нужно проникнуть, если вы хотите получить чистое вещество. Когда вы собираете все растение или отделяете плод от ветвей, вы также собираете много ткани, которая не содержит интересующего вас вещества”, – говорит Кааре Хартвиг Йенсен.

“Итак, есть два подхода к этому. Если вы хотите извлечь чистые вещества, вам нужно делать это клетка за клеткой. И когда вы можете сделать это, как мы показали, вам не нужно собирать все растение. Тогда вы можете поставить маленького робота и он может работать, не повреждая растение”, – продолжает Кааре.

На данный момент сборщик используется с растениями и листьями, но команда видит его работу в большем масштабе в будущем. Если все пойдет по плану, новый подход может создать новый источник биомассы и установить новую область устойчивой энергетики.

Потенциальное применение в будущем может заключаться в использовании технологии для получения энергии из деревьев.

“В лесах северной Канады и России есть еловые леса с примерно 740 миллиардами деревьев, которые остаются совершенно нетронутыми. Это примерно 25% от общего числа деревьев на планете. Разработав эту технологию, мы можем использовать деревья для получения сахара и биотоплива без их вырубки или повреждения”, – объясняет Кааре.

Сборщик ищет клетки в плодах и листьях, диаметр которых составляет 100 микрон, а верхушка иглы имеет диаметр около 10 микрон.

Магнус Вальдемар Палудан – аспирант кафедры физики DTU, который создал систему анализа изображений, распознавания изображений и управления роботом.

“Все это делается с помощью микроскопической камеры. Сначала я вручную пометил пиксели на микроскопических изображениях, показывающих клетки, которые робот будет собирать. Эта информация может быть использована для обучения компьютера находить подобные клетки в новых изображениях”, – говорит Магнус.

Искусственный интеллект и машинное обучение

Новая технология основана на машинном обучении и предварительно существующей нейронной сети GoogLeNet. Сеть способна распознавать микроскопические структуры и выполнять продвинутый анализ изображений.

“Мы использовали технику, называемую переносным обучением, когда вы используете существующую нейронную сеть для распознавания различных объектов на изображении. Показав компьютеру несколько новых изображений с вручную помеченными клетками, мы смогли скорректировать параметры сети так, чтобы она распознавала микроскопические клетки, богатые метаболитами”, – говорит Магнус.

“Сборщик может затем войти и сделать фотографию листа с помощью микроскопической камеры, пропустить ее через программное обеспечение и распознать клетки, которые нужно собрать. Далее он может автоматически извлечь химические вещества с помощью микроробота, не повреждая остальную часть растения”, – объясняет Магнус.