El recolector de frutas más pequeño del mundo controlado por inteligencia artificial

Inspirándose en insectos que viven absorbiendo nutrientes directamente en las venas de las plantas, los físicos de DTU han investigado si se pueden recolectar sustancias químicas valiosas directamente de las células de las plantas. Con una cosechadora de unos pocos micrómetros, ahora han logrado un gran avance en tecnología.
Danmarks Tekniske Universitet
Autor artículo: Lars Hjortshøj

El objetivo de Kaare Hartvig Jensen, profesor asociado de DTU Physics, ha sido reducir la necesidad de recolección, transporte y procesamiento de cultivos para la producción de, por ejemplo, biocombustibles y medicamentos. Con el nuevo método de extracción de sustancias, llamado metabolitos vegetales, la necesidad de procesos químicos y mecánicos se hace redundante al mismo tiempo.

Los metabolitos de las plantas consisten en una amplia gama de sustancias químicas extremadamente importantes. Varios tienen cualidades terapéuticas notables, por ejemplo, la artemisinina, un medicamento contra la malaria, o propiedades mecánicas, por ejemplo, el caucho natural. Y el jugo de los árboles se puede utilizar para biocombustibles.

Cosechando célula a célula

La mayoría de los metabolitos de las plantas se aíslan en células individuales, por lo que también es importante cómo extraer los metabolitos, ya que el método afecta tanto a la pureza como al rendimiento del producto. La mayoría de las veces, la extracción implica trituración, centrifugación y tratamiento químico con disolventes. Esto da como resultado una contaminación significativa, que contribuye a los altos costos de procesamiento económicos y ambientales.

“Todas las sustancias se producen y almacenan dentro de las células individuales de la planta. Aquí es donde tienes que entrar si quieres el artículo limpio. Cuando cosechas toda la planta o separas la fruta de las ramas, también cosechas una gran cantidad de tejido que no contiene la sustancia que te interesa ”, explica Kaare Hartvig Jensen.

“Así que hay dos perspectivas en él. Si desea que las sustancias se vean muy limpias, entonces debe hacerlo celda por celda. Cuando se puede hacer eso, como hemos mostrado, no se tiene que cosechar la planta. Por tanto,se puede colocar el pequeño robot recolector y podemos hacer el trabajo sin dañar la planta «.

Pero donde ahora se trabaja con plantas y hojas, en el futuro puede ser a una escala un poco mayor, donde este tipo de cosechadora tendrá que trabajar. La esperanza es que el enfoque único pueda crear una nueva fuente de biomasa e impulsar la investigación en una nueva área de producción de energía sostenible.

Algo para lo que se puede utilizar la tecnología en el futuro es para drenar energía de los árboles donde hay mucho biocombustible disponible.

“En los bosques del norte de Canadá y Rusia, hay aprox. 740 mil millones de árboles en los bosques de abetos que permanecen completamente intactos. Eso es aproximadamente el 25 por ciento del número total de árboles del planeta. Con el desarrollo de la tecnología, podemos drenar árboles para obtener azúcar y producir biocombustibles sin talar ni dañar los árboles ”, explica Kaare.

Inteligencia artificial a nivel de microscopio

Las células de la fruta y las hojas que busca el recolector tienen un diámetro de 100 micrómetros, mientras que la punta de la aguja tiene unos 10 micrómetros de diámetro. La cosecha es, por tanto, del mismo orden de magnitud que el grosor de un cabello.

Magnus Valdemar Paludan, estudiante de doctorado en DTU Physics y que ha creado el sistema de análisis de imágenes, reconocimiento de imágenes y control de robots, explica:

«Todo sucede con una cámara de microscopio. Para empezar, he marcado manualmente píxeles en las imágenes de microscopía, que contienen las células que el robot debe recolectar. Esa información se puede utilizar para entrenar a una computadora para que pueda encontrar células similares en nuevas imágenes «.

El aprendizaje automático y una red neuronal existente, GoogLeNet, son los ingredientes detrás de la tecnología. La red ya puede reconocer estructuras macroscópicas, puede peinar una imagen y decir si, por ejemplo, un elefante o un pimiento rojo se esconde en la imagen.

“Hemos utilizado una técnica llamada ‘Aprendizaje por transferencia’, que aprovecha el hecho de que la red neuronal ya puede reconocer diferentes objetos en una imagen. Al mostrar a la computadora una serie de nuevas imágenes con las células seleccionadas manualmente, hemos logrado ajustar los parámetros de la red para reconocer las células microscópicas ricas en metabolitos ”, dice Magnus.

El recolector puede entrar y tomar una fotografía de la hoja con la cámara del microscopio, ejecutarla a través del software y reconocer las células que se van a recolectar. A continuación, puede extraer los productos químicos automáticamente utilizando un micro-robot, mientras que el resto de la planta permanece intacto «.

Proyecto VILLUM Experiment de Kaare Hartvig Jensen. Magnus Valdemar Paludan , el postdoctorado Hansaol Bae y el estudiante Jan Knoblauch tambien han participado en la investigación.


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