人工智能引領(lǐng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的未來

機(jī)器學(xué)習(xí)可以揭示最佳的生長條件，以便盡可能的展現(xiàn)口感和其他特征。

使植物味道好的原因是什么？對(duì)于麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家來說，這需要植物學(xué)、人工智能算法和一些老式的化學(xué)知識(shí)的結(jié)合。

利用以上這些知識(shí)，媒體實(shí)驗(yàn)室開放農(nóng)業(yè)項(xiàng)目的研究人員報(bào)告說，他們已經(jīng)在不涉及基因編譯的情況下種植出了你從未吃過的美味羅勒（一種西餐調(diào)味植物）。研究人員使用計(jì)算機(jī)算法來確定最佳的生長條件，以最大限度地提高被稱為揮發(fā)性化合物的風(fēng)味分子的濃度。



但這僅僅是“網(wǎng)絡(luò)農(nóng)業(yè)”新領(lǐng)域的開始，麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室的首席研究科學(xué)家、開放農(nóng)業(yè)集團(tuán)的董事卡萊布·哈珀說。他的小組目前正在致力于提高草藥治療人類疾病的特性，他們還希望通過研究作物在不同條件下的生長方式，幫助種植者適應(yīng)變化的氣候。

哈珀說：“我們的目標(biāo)是在數(shù)據(jù)采集、傳感和機(jī)器學(xué)習(xí)的交叉領(lǐng)域設(shè)計(jì)開源技術(shù)，并以一種前所未有的方式將其應(yīng)用到農(nóng)業(yè)研究中。”“我們真的對(duì)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化工具很感興趣，這些工具可以利用植物的生長過程信息、表型生物特征、所遇到的外界環(huán)境刺激及其遺傳學(xué)特性，并數(shù)字化，使我們能夠理解植物與環(huán)境的相互作用。”

研究人員在4月3日出版的《公共科學(xué)圖書館》期刊中，描述了對(duì)羅勒植物的研究新發(fā)現(xiàn)，讓他們吃驚的是，每天24小時(shí)將植物暴露在光照下能產(chǎn)生最好的味道。開放農(nóng)業(yè)集團(tuán)的研究負(fù)責(zé)人、該研究的作者約翰•德拉帕拉說，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)技術(shù)永遠(yuǎn)不會(huì)產(chǎn)生這種見解。

“你不可能以任何其他方式發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)。除非你在南極洲，否則沒有一個(gè)24小時(shí)的光周期可以在現(xiàn)實(shí)世界中進(jìn)行測(cè)試，”他說。“你必須有人為的環(huán)境才能發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)。”

本文的高級(jí)作者是哈珀和奧斯汀德克，以及薩斯大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)教授里斯托·米庫萊恩。媒體實(shí)驗(yàn)室的主任研究員阿里爾·約翰遜和認(rèn)知技術(shù)解決方案的艾略特·梅爾森是主要作者，開放農(nóng)業(yè)項(xiàng)目的特別項(xiàng)目助理蒂莫西·薩瓦斯也是作者之一。

最大化風(fēng)味
在麻省理工學(xué)院貝茨實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)倉庫中，開放農(nóng)業(yè)集團(tuán)的工廠是在經(jīng)過改裝的船運(yùn)集裝箱中種植的，因此可以小心地控制環(huán)境條件，包括光照、溫度和濕度。

哈珀說，這種農(nóng)業(yè)有很多名字——環(huán)境控制農(nóng)業(yè)、垂直農(nóng)業(yè)、城市農(nóng)業(yè)——仍然是一個(gè)利基市場，但發(fā)展迅速。在日本，這樣的“植物工廠”每周生產(chǎn)數(shù)十萬棵生菜。然而，也有許多失敗的案例，而且在致力于開發(fā)這類設(shè)施的公司之間很少有信息共享。

麻省理工學(xué)院倡議的一個(gè)目標(biāo)是通過讓所有的開放農(nóng)業(yè)集團(tuán)硬件、軟件和數(shù)據(jù)自由共用，來克服這種信息隔絕。

哈珀說：“目前農(nóng)業(yè)領(lǐng)域存在一個(gè)大問題，即缺乏公開數(shù)據(jù)、缺乏數(shù)據(jù)收集標(biāo)準(zhǔn)以及缺乏數(shù)據(jù)共享。”“因此，盡管機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能和先進(jìn)的算法技術(shù)進(jìn)展如此之快，但收集質(zhì)量良好、有意義的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。我們的工具是開放源代碼的，希望它們能夠更快地傳播，并創(chuàng)造共享科研的能力。”

在《公共科學(xué)圖書館》刊載的一項(xiàng)研究中，麻省理工學(xué)院的研究小組著手證明其方法的可行性，即在他們稱之為“食品計(jì)算機(jī)”的水培環(huán)境中，在不同條件下種植植物。這種方法允許他們改變光照持續(xù)時(shí)間和紫外線照射持續(xù)時(shí)間。一旦植物長滿了，研究人員就用傳統(tǒng)的分析化學(xué)技術(shù)，如氣相色譜法和質(zhì)譜法，通過測(cè)量葉子中揮發(fā)性化合物的濃度來評(píng)估羅勒的味道。這些分子包括有價(jià)值的營養(yǎng)素和抗氧化劑，因此增強(qiáng)風(fēng)味也對(duì)健康有益。

然后，所有來自植物實(shí)驗(yàn)的信息被輸入到麻省理工學(xué)院認(rèn)知團(tuán)隊(duì)開發(fā)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法中。這些算法評(píng)估了數(shù)以百萬計(jì)的光照和紫外線持續(xù)時(shí)間的可能組合，并生成了一組可以最大限度地增加味道的條件，包括24小時(shí)日光制度。

除了口味之外，研究人員現(xiàn)在正致力于開發(fā)含有更多化合物的羅勒植物，這些化合物有助于防治糖尿病等疾病。眾所周知，羅勒和其他植物含有有助于控制血糖的化合物，在之前的研究中，德拉帕拉的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明，這些化合物可以通過不同的環(huán)境條件得到增強(qiáng)。

研究人員目前正在研究調(diào)整其他環(huán)境變量的影響，如溫度、濕度和光的波長，以及添加植物激素或營養(yǎng)素的影響。在一項(xiàng)研究中，他們將植物暴露在殼聚糖（一種存在于昆蟲殼中的聚合物）中，殼聚糖使植物產(chǎn)生不同的化合物來抵御昆蟲的攻擊。

他們也有興趣使用他們的方法來增加藥用植物的產(chǎn)量，如馬達(dá)加斯加長春花，這是抗癌化合物長春新堿和長春花堿的唯一來源。

“你可以把這篇論文看作是許多可以應(yīng)用的不同場景的開場白，它展示了我們迄今為止所構(gòu)建的工具的強(qiáng)大功能，”德拉帕拉說。“這是我們現(xiàn)在可以在更大范圍內(nèi)做的事情的原型。”

東北大學(xué)網(wǎng)絡(luò)科學(xué)教授Albert-László Barabási說，這種方法為并非每個(gè)人都能接受的作物基因改造提供了一種替代方法。

本文運(yùn)用現(xiàn)代數(shù)字農(nóng)業(yè)的思想，通過改變植物生長的環(huán)境條件，系統(tǒng)地改變我們所食用植物的化學(xué)成分。這表明，我們可以利用機(jī)器學(xué)習(xí)和良好的控制條件來找到最佳條件組合，也就是說，設(shè)計(jì)最大化味道和產(chǎn)量的條件，”未參與研究的Barabási說。

氣候適應(yīng)
研究人員說，網(wǎng)絡(luò)農(nóng)業(yè)的另一個(gè)重要應(yīng)用是適應(yīng)氣候變化。雖然研究不同條件對(duì)作物的影響通常需要數(shù)年或數(shù)十年的時(shí)間，但在一個(gè)受控的農(nóng)業(yè)環(huán)境中，許多試驗(yàn)可以在短時(shí)間內(nèi)完成。

德拉帕拉說：“當(dāng)你在田里種東西時(shí)，你必須依靠天氣和其他因素來合作，你必須等待下一個(gè)生長季節(jié)的到來。”“有了我們這樣的系統(tǒng)，我們可以更快地獲得更多的知識(shí)量。”

開放農(nóng)業(yè)集團(tuán)（OpenAg）團(tuán)隊(duì)目前正在為糖果制造商費(fèi)列羅（Ferrero）進(jìn)行一項(xiàng)有關(guān)榛子樹的研究，該公司的榛子樹消費(fèi)量約占世界榛子總消費(fèi)量的25%。

作為他們培訓(xùn)任務(wù)的一部分，研究人員還開發(fā)了小型“個(gè)人食品計(jì)算機(jī)”，可以在受控條件下種植植物，并將數(shù)據(jù)發(fā)送回MIT團(tuán)隊(duì)?，F(xiàn)在，美國的許多高中學(xué)生都在使用這些工具，這些工具由分布在65個(gè)國家的不同用戶組成，他們可以通過在線論壇分享自己的想法和結(jié)果。

哈珀說：“對(duì)我們來說，每一個(gè)盒子都是我們非常感興趣的數(shù)據(jù)點(diǎn)，但它也是一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以用新的方式教授環(huán)境科學(xué)、編程、化學(xué)和數(shù)學(xué)。”

該研究由Target公司、Lee Kum-Kee Health Products Group、Welspun、Sentient Technologies和Cognizant Technology SoluTIons資助。