Máy thu hoạch cây trồng được kiểm soát bởi trí tuệ nhân tạo có thể có những tác động lớn đến tính bền vững của năng lượng

Các nhà vật lý tại Đại học Kỹ thuật Đan Mạch đã phát triển máy thu hoạch trái cây nhỏ nhất trên thế giới được kiểm soát bởi trí tuệ nhân tạo (AI), cho phép máy thu hoạch có kích thước chỉ vài micromet.

Kaare Hartvig Jensen, Phó giáo sư tại DTU Physics, đã đặt mục tiêu giảm nhu cầu thu hoạch, vận chuyển và xử lý cây trồng để sản xuất nhiên liệu sinh học, dược phẩm và các sản phẩm khác. Các chất được chiết xuất được gọi là chất chuyển hóa thực vật, và phương pháp mới loại bỏ nhu cầu xử lý hóa học và cơ học.

Nghiên cứu được công bố trên Plant Physiology.

Chất chuyển hóa thực vật

Chất chuyển hóa thực vật có một loạt các hóa chất quan trọng, và những chất như thuốc chống sốt rét artemisinin có tính chất điều trị. Những chất khác như cao su tự nhiên hoặc nhiên liệu sinh học từ nhựa cây có tính chất cơ học.

Hầu hết các chất chuyển hóa thực vật được cô lập trong các tế bào riêng lẻ, và phương pháp chiết xuất chất chuyển hóa rất quan trọng vì quá trình này ảnh hưởng đến độ tinh khiết và sản lượng của sản phẩm. Quá trình chiết xuất liên quan đến việc nghiền, ly tâm và xử lý hóa học bằng dung môi, dẫn đến ô nhiễm và chi phí xử lý cao.

“Tất cả các chất đều được sản xuất và lưu trữ trong các tế bào riêng lẻ của cây. Đó là nơi bạn phải đi vào nếu bạn muốn có vật liệu tinh khiết. Khi bạn thu hoạch toàn bộ cây hoặc tách quả khỏi cành, bạn cũng thu hoạch một lượng lớn mô không chứa chất mà bạn quan tâm,” Kaare Hartvig Jensen nói.

“Vậy có hai quan điểm về nó. Nếu bạn muốn chiết xuất các chất tinh khiết, bạn cần làm điều đó tế bào theo tế bào. Và khi bạn có thể làm điều đó, như chúng tôi đã chỉ ra, bạn không cần phải thu hoạch cây. Sau đó, bạn có thể đặt robot nhỏ lên và nó có thể hoạt động mà không làm hỏng cây,” Kaare tiếp tục.

Hiện tại, máy thu hoạch đang được sử dụng với cây trồng và lá, nhưng nhóm nghiên cứu thấy nó có thể hoạt động trên quy mô lớn hơn trong tương lai. Nếu mọi thứ hoạt động theo kế hoạch, phương pháp mới này có thể tạo ra một nguồn sinh khối mới và thiết lập một lĩnh vực sản xuất năng lượng bền vững mới.

Một ứng dụng tiềm năng trong tương lai có thể là sử dụng công nghệ này để khai thác năng lượng từ cây.

“Trong các khu rừng ở phía bắc Canada và Nga, có những khu rừng thông với khoảng 740 tỷ cây chưa được chạm vào. Đó là khoảng 25% tổng số cây trên hành tinh. Bằng cách phát triển công nghệ này, chúng ta có thể khai thác cây để lấy đường và sản xuất nhiên liệu sinh học mà không cần chặt cây hoặc làm hỏng cây,” Kaare giải thích.

Máy thu hoạch tìm kiếm các tế bào trong quả và lá có đường kính 100 micromet, và đầu của kim có đường kính khoảng 10 micromet.

Magnus Valdemar Paludan là một nghiên cứu sinh tại DTU Physics, người đã tạo ra hệ thống phân tích hình ảnh, nhận dạng hình ảnh và điều khiển robot.

“Tất cả đều được thực hiện với máy ảnh kính hiển vi. Ban đầu, tôi đã đánh dấu thủ công các pixel trên hình ảnh kính hiển vi cho thấy các tế bào mà robot sẽ thu hoạch. Thông tin đó có thể được sử dụng để đào tạo máy tính tìm kiếm các tế bào tương tự trong các hình ảnh mới,” Magnus nói.

Trí tuệ nhân tạo và học máy

Công nghệ mới dựa trên học máy và mạng nơ-ron trước đó có tên là GoogLeNet. Mạng này có khả năng nhận dạng cấu trúc hiển vi và thực hiện phân tích hình ảnh tiên tiến.

“Chúng tôi đã sử dụng một kỹ thuật gọi là chuyển giao học, nơi bạn sử dụng khả năng nhận dạng các đối tượng khác nhau trong hình ảnh của mạng nơ-ron hiện có. Bằng cách hiển thị máy tính một số hình ảnh mới với các tế bào được đánh dấu thủ công, chúng tôi đã thành công trong việc điều chỉnh các tham số của mạng để nó nhận ra các tế bào giàu chất chuyển hóa hiển vi,” Magnus nói.

“Máy thu hoạch có thể đi vào và chụp ảnh lá với máy ảnh kính hiển vi, chạy nó qua phần mềm và nhận ra các tế bào cần thu hoạch. Tiếp theo, nó có thể chiết xuất các hóa chất tự động bằng robot vi mô, trong khi phần còn lại của cây vẫn không bị ảnh hưởng,” Magnus giải thích.