Landbrug:Maskinlæring kan afsløre optimale vækstbetingelser for at maksimere smag, andre funktioner

Hvad går ud på at få planter til at smage godt? For forskere i MIT's Media Lab, det kræver en kombination af botanik, maskinlæringsalgoritmer, og noget god gammeldags kemi.

Ved at bruge alt det ovenstående, forskere i Media Labs Open Agriculture Initiative rapporterer, at de har skabt basilikumplanter, der sandsynligvis er mere lækre end nogen, du nogensinde har smagt. Ingen genetisk modifikation er involveret:Forskerne brugte computeralgoritmer til at bestemme de optimale vækstbetingelser for at maksimere koncentrationen af ​​smagfulde molekyler kendt som flygtige forbindelser.

Men det er kun begyndelsen for det nye felt inden for "cyberlandbrug, "siger Caleb Harper, en hovedforsker ved MIT's Media Lab og direktør for OpenAg -gruppen. Hans gruppe arbejder nu på at forbedre de menneskelige sygdomsbekæmpende egenskaber ved urter, og de håber også at hjælpe avlere med at tilpasse sig skiftende klima ved at studere, hvordan afgrøder vokser under forskellige forhold.

"Vores mål er at designe open source-teknologi i skæringspunktet mellem dataindsamling, fornemmelse, og maskinlæring, og anvende det på landbrugsforskning på en måde, der ikke er gjort før, "Harper siger." Vi er virkelig interesserede i at bygge netværksværktøjer, der kan tage et anlægs erfaring, dens fænotype, det sæt af spændinger, det støder på, og dens genetik, og digitalisere det for at give os mulighed for at forstå interaktionen mellem plante og miljø. "

I deres undersøgelse af basilikumplanter, som fremgår af 3. april -udgaven af PLOS ONE , fandt forskerne, til deres overraskelse, at udsættelse af planter for lys 24 timer i døgnet gav den bedste smag. Traditionelle landbrugsteknikker ville aldrig have givet den indsigt, siger John de la Parra, forskningslederen for OpenAg -gruppen og en forfatter til undersøgelsen.

"Du kunne ikke have opdaget dette på anden måde. Medmindre du er i Antarktis, der er ikke en 24-timers fotoperiode at teste i den virkelige verden, "siger han." Man skulle have kunstige omstændigheder for at opdage det. "

Harper og Risto Miikkulainen, professor i datalogi ved University of Texas i Austin, er seniorforfatterne af papiret. Arielle Johnson, en direktør i Media Lab, og Elliot Meyerson fra Cognizant Technology Solutions er hovedforfattere, og Timothy Savas, en særlig projektassistent ved Open Agriculture Initiative, er også forfatter.

Maksimering af smag

Beliggende på et lager i Middleton, Massachusetts, OpenAg -planterne dyrkes i forsendelsescontainere, der er blevet eftermonteret, så miljøforhold, herunder lys, temperatur, og fugtighed, kan kontrolleres omhyggeligt.

Denne form for landbrug har mange navne - kontrolleret miljølandbrug, lodret landbrug, bylandbrug - og er stadig et nichemarked, men vokser hurtigt, Siger Harper. I Japan, en sådan "plantefabrik" producerer hundredtusinder af salathoveder hver uge. Imidlertid, der har også været mange mislykkede bestræbelser, og der er meget lidt deling af information mellem virksomheder, der arbejder på at udvikle denne type faciliteter.

Et mål med MIT -initiativet er at overvinde den slags hemmeligholdelse, ved at lave al OpenAg -hardware, software, og data frit tilgængelige.

"Der er et stort problem lige nu i landbrugsrummet med hensyn til mangel på offentligt tilgængelige data, mangel på standarder for dataindsamling, og mangel på datadeling, "Harper siger." Så mens maskinindlæring og kunstig intelligens og avanceret algoritmedesign har bevæget sig så hurtigt, samlingen af ​​velmærkede, meningsfulde landbrugsdata ligger langt bagud. Vores værktøjer er open source, forhåbentlig vil de blive spredt hurtigere og skabe evnen til at lave netværksvidenskab sammen. "

I PLOS ONE undersøgelse, MIT -teamet satte sig for at demonstrere gennemførligheden af ​​deres tilgang, som involverer dyrkning af planter under forskellige betingelser i hydroponiske beholdere, som de kalder "madcomputere". Denne opsætning tillod dem at variere lysets varighed og varigheden af ​​eksponeringen for ultraviolet lys. Når planterne var fuldvoksne, forskerne vurderede smagen af ​​basilikum ved at måle koncentrationen af ​​flygtige forbindelser, der findes i bladene, ved hjælp af traditionelle analytiske kemiteknikker såsom gaskromatografi og massespektrometri. Disse molekyler inkluderer værdifulde næringsstoffer og antioxidanter, så forstærkning af smag kan også tilbyde sundhedsmæssige fordele.

Alle oplysninger fra planteforsøgene blev derefter ført ind i maskinlæringsalgoritmer, som MIT og Cognizant (tidligere Sentient Technologies) teams udviklede. Algoritmerne vurderede millioner af mulige kombinationer af lys og UV -varighed, og genererede sæt betingelser, der ville maksimere smag, herunder det døgnåbne dagslysregime.

Bevæger sig ud over smag, forskerne arbejder nu på at udvikle basilikumplanter med højere niveauer af forbindelser, der kan hjælpe med at bekæmpe sygdomme som diabetes. Basilikum og andre planter er kendt for at indeholde forbindelser, der hjælper med at kontrollere blodsukkeret, og i tidligere arbejde, de la Parra har vist, at disse forbindelser kan forstærkes af forskellige miljøforhold.

Forskerne studerer nu virkningerne af at indstille andre miljøvariabler som temperatur, fugtighed, og lysets farve, samt virkningerne af at tilføje plantehormoner eller næringsstoffer. I en undersøgelse, de udsætter planter for kitosan, en polymer fundet i insektskaller, hvilket får planten til at producere forskellige kemiske forbindelser for at afværge insektangrebet.

De er også interesserede i at bruge deres fremgangsmåde til at øge udbyttet af lægeplanter som Madagaskars periwinkle, som er den eneste kilde til kræftforbindelserne vincristine og vinblastine.

"Du kan se dette papir som åbningsskuddet til mange forskellige ting, der kan anvendes, og det er en udstilling af kraften i de værktøjer, vi hidtil har bygget, "de la Parra siger." Dette var arketypen for, hvad vi nu kan gøre i større skala. "

Klimatilpasning

En anden vigtig applikation til cyberlandbrug, siger forskerne, er tilpasning til klimaændringer. Selvom det normalt tager år eller årtier at undersøge, hvordan forskellige forhold vil påvirke afgrøder, i et kontrolleret landbrugsmiljø, mange forsøg kan udføres på kort tid.

"Når du dyrker ting på en mark, du skal stole på vejret og andre faktorer for at samarbejde, og du skal vente på den næste vækstsæson, "siger de la Parra." Med systemer som vores, vi kan øge mængden af ​​viden, der kan opnås meget hurtigere. "

OpenAg -teamet udfører i øjeblikket en sådan undersøgelse af hasselnødtræer for slikproducenten Ferrero, som forbruger omkring 25 procent af verdens hasselnødder.

Som en del af deres uddannelsesmæssige mission, forskerne har også udviklet små "personlige madcomputere" - kasser, der kan bruges til at dyrke planter under kontrollerede forhold og sende data tilbage til MIT -teamet. Disse bruges nu af mange gymnasie- og mellemskoleelever i USA, blandt et netværk af forskellige brugere fordelt på 65 lande, der kan dele deres ideer og resultater via et online forum.

"For os, hver boks er et datapunkt, som vi er meget interesserede i at få, men det er også en platform for eksperimentering til undervisning i miljøvidenskab, kodning, kemi, og matematik på en ny måde, "Siger Harper.