Foto: http://jensen-research.com/

Verdens mindste frugtplukker styret af kunstig intelligens

Wednesday 26 May 21

Contact

Kaare Hartvig Jensen
Associate Professor
DTU Physics
+45 45 25 27 49

Contact

Magnus Valdemar Paludan
PhD student
DTU Physics
Inspireret af insekter, der lever af at suge næring direkte i planteårerne, har fysikere fra DTU undersøgt, om værdifulde kemiske stoffer kan høstes direkte fra cellerne i planter. Med en høster på et par mikrometer har de nu fået et gennembrud i teknologien.

Målet for Kaare Hartvig Jensen, lektor på DTU Fysik, har været at mindske behovet for høst, transport og forarbejdning af afgrøder til produktion af for eksempel biobrændstoffer og lægemidler. Med den nye metode til at ekstrahere stoffer, kaldet plantemetabolitter, overflødiggør man samtidig behovet for kemiske og mekaniske processer.

Plantemetabolitter består af en lang række ekstremt vigtige kemikalier. Flere har bemærkelsesværdige terapeutiske kvaliteter, for eksempel malariamedicinen artemisinin, eller mekaniske egenskaber, for eksempel naturgummi. Og træernes saft kan bruges til biobrændsel.

Høstning celle for celle

De fleste plantemetabolitter er isoleret i individuelle celler, derfor er det også vigtigt, hvordan man får metabolitterne ud, da fremgangsmåden påvirker både produktrenhed og udbytte. Oftest involverer ekstraheringen slibning, centrifugering og kemikaliebehandling ved hjælp af opløsningsmidler. Dette resulterer i betydelig forurening, hvilket bidrager til de høje økonomiske og miljømæssige forarbejdningsomkostninger. 

”Alle de stoffer bliver produceret og lagret inde i enkelte celler i planten. Det er der, man skal ind, hvis man vil have den rene vare. Når man høster hele planten eller skiller frugten fra grenene, så høster man samtidig en hel masse væv, der ikke indeholder det stof, man er interesseret i,” forklarer Kaare Hartvig Jensen.

"Alle de stoffer bliver produceret og lagret inde i enkelte celler i planten. Det er der man skal ind, hvis man vil have den rene vare"
Kaare Hartvig Jensen, Lektor på DTU Fysik

”Så der er to perspektiver i det. Hvis man vil have stofferne ud meget rene, så skal man gøre det celle for celle. Når man så kan det, som vi har vist,  behøver man ikke at høste planten. Så kan man sætte den lille robot på, og den kan gøre arbejdet uden at beskadige planten.”

Men hvor man nu arbejder med planter og blade, kan det i fremtiden blive lidt større skala, denne her type høster skal arbejde på. Håbet er, at den unikke tilgang kan skabe en ny kilde til biomasse og sætte gang i forskning på et nyt område inden for bæredygtig energiproduktion.

Noget at det, teknologien muligvis kan bruges til i fremtiden, er at tappe energi fra træer, hvor der ligger en masse biobrændsel tilgængeligt.

”I de nordlige skove i Canada og Rusland er der ca. 740 milliarder træer i granskovene, der står helt urørte. Det er omkring 25 procent af det totale antal træer på planeten. Med en udvikling af teknologien kan vi tappe træer for sukker og lave biobrændsel uden at fælde eller beskadige træerne,” forklarer Kaare.

Kunstig intelligens på mikroskopniveau

Cellerne i frugten og bladene, som høsteren leder efter, er 100 mikrometer i diameter, mens nålens spids er omkring 10 mikrometer i diameter. Høsten sker altså på samme størrelsesorden som tykkelsen af et hår.  

Magnus Valdemar Paludan, der er ph.d.-studerende på DTU Fysik, og som har lavet systemet til billedanalyse, billedgenkendelse og robotstyring, forklarer:

”Det hele foregår med et mikroskopkamera. Til at starte med har jeg manuelt markeret pixels på mikroskopibillederne, som indeholder de celler, robotten skal høste. Den information kan bruges til at træne en computer til at kunne finde tilsvarende celler på nye billeder.”

Maskinlæring og et allerede eksisterende neuralt netværk, GoogLeNet, er ingredienserne bag teknologien. Netværket kan allerede genkende makroskopiske strukturer, kan finkæmme et billede og fortælle, om der for eksempel gemmer sig en elefant eller en rød peber på billedet. 

”Vi har brugt en teknik, der hedder ’Transfer learning’, hvor man udnytter, at det neurale netværk allerede kan genkende forskellige objekter på et billede.  Ved at vise computeren en række nye billeder med de manuelt markerede celler, er det lykkedes os at justere netværkets parametre til at genkende de mikroskopiske metabolitrige celler,” fortæller Magnus. 

”Høsteren kan så selv gå ind og tage et billede af bladet med mikroskopkameraet, køre det gennem softwaren og genkende de celler, den skal høste. Dernæst kan den ekstrahere kemikalierne automatisk ved hjælp af en mikrorobot, mens resten af planten forbliver uforstyrret.”

Resultaterne stammer fra Kaare Hartvig Jensens VILLUM Experiment-projekt. En bevilling Kaare fik tilbage i 2017. Ud over Kaare og Magnus har postdoc Hansaol Bae og studerende Jan Knoblauch deltaget i forskningen.

Fakta om VILLUM Experiment

Støtter den dristige forskningsidé, der har det vanskeligt i et klassisk peer review-bevillingssystem.

Målrettet de helt særlige forskningsprojekter, der udfordrer normen og har potentialet til fundamentalt at ændre den måde, vi tilgår vigtige emner på.

For at sikre, at forskerne tør fremsende deres mest ambitiøse idéer, uden at blive ’hængt ud’ af deres fagfæller, der skal vurdere deres forskningsidé, er ansøger anonym for bedømmerne. Dette er også indført for at reducere eventuelle bias fra bedømmere.

Bedømmerne bliver bedt om at lægge vægt på de idéer, de opfatter som reelle nybrud. Måske vil kun et ud af ti projekter vise sig at skabe noget unikt.

Hver sagkyndig har mulighed for at tildele én ansøgning en 'trumf'. Sker dette, skal der helt særlige argumenter til, hvis fondens bestyrelse vælger ikke at støtte idéen.

Det bevilgede beløb er på 1-2 mio. kr., og det skal dække en forskningsperiode på 1-2 år.

Programmet er åbent for alle forskere uanset nationalitet og kan søges af aktive forskere uanset alder.

 

News and filters

Get updated on news that match your filter.