Cómo la IA del ‘gemelo digital’ transformará la agricultura sostenible

Cómo la IA del 'gemelo digital' transformará la agricultura sostenible

La tecnología avanzada podría hacer que la agricultura sea más eficiente y resistente a los estragos de un mundo que se calienta


Por Anna DeenAgnews


Imagine que está parado al borde de un campo de soya en Iowa. En la distancia, una cosechadora guiada por GPS rueda por un campo que ha sido nivelado con la ayuda de un láser, mientras el agricultor al volante monitorea los datos meteorológicos en su teléfono. Estas herramientas, parte de un enfoque de agronomía llamado agricultura de precisión, prometen aumentar los rendimientos y reducir los costos al maximizar la eficiencia. Eso podría ayudar a garantizar que el mundo produzca suficientes alimentos para alimentar a una población en expansión, incluso cuando el cambio climático hace que esa tarea sea cada vez más difícil.

Pero hay un pequeño problema. “La agricultura de precisión no es tan precisa”, dice Soumik Sarkar, profesor asociado de ingeniería mecánica en la Universidad Estatal de Iowa. Aunque cosas como el GPS actualmente brindan la ruta más eficiente para plantar y cosechar, y los agricultores usan láseres para ayudar a nivelar la tierra, incluso los agricultores más expertos en tecnología carecen de la capacidad de, por ejemplo, apuntar a cultivos específicos con pesticidas en lugar de rociar un campo completo. .

“Optimizar y reducir el uso de agua, productos químicos y otros recursos, al mismo tiempo que aumenta la cantidad de cultivos para alimentar a una población en crecimiento con la tierra que tenemos, es un desafío por el que tienes que tirar el fregadero de la cocina para resolverlo. dice Sarkar.

El Instituto de Inteligencia Artificial para la Agricultura Resiliente de la Universidad Estatal de Iowa es uno de los cuatro grupos que construyen ese sumidero proverbial con lo que llama agricultura de ultraprecisión. El instituto espera, durante los próximos tres a cinco años, utilizar la ciencia de datos, el aprendizaje automático y otras tecnologías de inteligencia artificial para brindar a los productores de maíz y soya recomendaciones personalizadas que impulsarán la producción de cultivos. Las herramientas también podrían ayudar a los científicos de la industria a desarrollar semillas que brinden mayores rendimientos mientras resisten la sequía y otros factores estresantes.

Esto será cada vez más importante a medida que la sequía y la desertificación reduzcan la superficie cultivable per cápita del mundo y la población mundial aumente a 9700 millones para 2050. A medida que los investigadores busquen inteligencia artificial, drones y robótica para ayudar a los agrónomos a prepararse para este futuro, la industria Los analistas esperan que el mercado mundial de la agricultura de precisión, valorado en 4840 millones de dólares en 2018, alcance los 10 160 millones de dólares en dos años.

«Las ideas están ahí», dice Sarkar, «pero aún existen muchas oportunidades y brechas que se podrían llenar con estas nuevas tecnologías».

Creando tierras de cultivo virtuales

El instituto es un esfuerzo cooperativo entre las partes interesadas de la industria como John Deere e instituciones como la Asociación de soja de Iowa, que representa a 10.000 agricultores, y la Universidad de Arizona. La idea surgió de una convocatoria realizada por la Fundación Nacional de Ciencias en agosto de 2020 en busca de propuestas para la creación de centros de investigación de inteligencia artificial.

El equipo del estado de Iowa, fundado en septiembre pasado, es uno de los 11 establecidos en ocho disciplinas, incluida la agricultura, luego de una inversión de $ 220 millones de la Fundación Nacional de Ciencias y el Departamento de Agricultura, que están apostando fuertemente por la IA para transformar la agronomía y las rutas alimentarias. . El estado de Iowa recibirá $20 millones durante los próximos cinco años para desarrollar su tecnología.

El instituto planea crear lo que se llama un marco predictivo de «gemelo digital», una herramienta que se usa para modelar virtualmente cualquier cosa, desde una sola planta hasta una granja completa (creando una copia digital, o gemelo, del entorno de la vida real). Una herramienta de este tipo puede probar rápida y fácilmente innumerables escenarios para todo, desde la cantidad óptima de nitrógeno para aplicar a un campo hasta el que cultivar plantas híbridas. Los ingenieros en industrias como la aviación confían en estos modelos para determinar cuándo, por ejemplo, un avión podría necesitar reparaciones. Llevar la tecnología a la agricultura tiene el potencial de ayudar a los agrónomos a tomar decisiones cotidianas y planes futuros con mayor certeza y eficiencia.

Más allá de probar rápidamente hipótesis o ver cómo se pueden desarrollar decisiones grandes y pequeñas, el marco de gemelo digital podría permitir a los agricultores ampliar enormemente su experiencia al combinar dos tipos de datos tradicionalmente aislados: Incluso cuando los modelos asimilan continuamente datos como el clima, la composición del suelo y genética de plantas, se basarán en el conocimiento colectivo de agricultores, botánicos y otros.

«Hemos estado haciendo agricultura durante milenios, por lo que existe mucho conocimiento del dominio con los agrónomos, los mejoradores, los profesionales, etc.», dice Baskar Ganapathysubramanian, investigador principal del Instituto de Inteligencia Artificial para la Agricultura Resiliente y profesor. de ingeniería mecánica en la Universidad Estatal de Iowa.

Por supuesto, una IA es tan inteligente como la información utilizada para entrenarla. La reducción de imprecisiones y sesgos, como centrarse solo en datos de Iowa o granjas industriales, forma parte del proceso del instituto para desarrollar el gemelo digital. Con ese fin, el instituto se basará en medidas de respaldo, como la colocación de sensores en los campos para brindar retroalimentación sobre cualquier discrepancia, y consultará a expertos en campos que van desde la ciencia del suelo hasta la botánica.

“No importa cuánto lo intentemos, siempre habrá algún tipo de sesgo o inexactitud”, dice Sarkar. “Todo nuestro esfuerzo es reducirlo tanto como podamos”.

Llevando la IA a la granja

Un gemelo digital podría ser notablemente poderoso en un laboratorio, pero aún más en múltiples laboratorios y, algún día, en granjas. Nirav Merchant, director del Data Science Institute de la Universidad de Arizona y co-investigador principal de CyVerse, financiado por la National Science Foundation, está trabajando con el instituto en Iowa en el desarrollo de una plataforma llamada Cyberinfrastructure-AI Institute for Resilient Agriculture. . Apodado Sierra, tiene como objetivo permitir que todos los involucrados en el desarrollo del gemelo digital compartan rápida y fácilmente petabytes de datos anualmente.

En el futuro, Sierra actuará como puerta de entrada a los datos y herramientas que los agricultores y científicos pueden usar para ensamblar sus propios modelos. Aunque es demasiado pronto para saber cómo se puede acceder al gemelo digital, una idea es convertirlo en una plataforma de código abierto o licenciarlo a instituciones colaboradoras. Ganapathysubramanian dice que el instituto está creando estas herramientas pensando en los usuarios no profesionales. “El enfoque no está solo en los aspectos técnicos”, dice, “sino también en los aspectos de implementación, adopción y democratización de estas tecnologías de IA”.

Debido a que los agricultores en agricultura de precisión ya tienen acceso a sistemas de posicionamiento global, actualmente están inundados con toneladas de información que pueden ser difíciles de navegar. “Los agricultores toman estas decisiones todos los años, todos los días y, a veces, cometen errores”, dice Peter Kyveryga, científico investigador sénior de la Iowa Soybean Association. “Algún tipo de enfoque de sistema sería muy útil aquí, y ahí es donde veo el valor de este proyecto”.

Más adelante, en el futuro, los gemelos digitales podrían conducir a un desarrollo más rápido de cultivos más fructíferos. La propagación de múltiples generaciones de plantas para crear cepas que, por ejemplo, brinden mayor rendimiento o resistencia a la sequía puede llevar de seis a 10 años. “Al usar un gemelo digital, puede acelerar este proceso al mover algunas de las pruebas físicas a pruebas virtuales”, dice Ganapathysubramanian.

Ganapathysubramanian dice que los agricultores e investigadores fuera del instituto podrían estar usando gemelos digitales dentro de tres años. Su equipo planea comenzar a probar la tecnología en el campo con la temporada de crecimiento de esta primavera.

Obstáculos del mundo real

Una preocupación común planteada en cualquier discusión sobre inteligencia artificial es la pérdida de puestos de trabajo para las máquinas y los robots. Es posible que ese no sea un problema en la agricultura, donde llevar tecnologías avanzadas a las comunidades agrícolas podría compensar una fuerza laboral que se está reduciendo a medida que los agricultores se jubilan y los jóvenes se mudan. “Mientras haya una propuesta de valor convincente para [los agricultores], creo que estarán ansiosos por participar”, agrega Ganapathysubramanian.

Para promover el desarrollo de la fuerza laboral y capacitar a las personas interesadas en el uso de la tecnología de inteligencia artificial, el instituto se está coordinando con organizaciones como el Instituto de Naciones Nativas y la Asociación de Soya de Iowa en esfuerzos de divulgación, incluso para mujeres y agricultores indígenas.

“Es una oportunidad para que escuchemos y aprendamos”, dice N. Levi Esquerra, miembro de la tribu Chemehuevi, miembro de la junta asesora científica del instituto y vicepresidente senior de Avance de los nativos americanos y participación tribal en la Universidad de Arizona. “¿Cómo podemos asegurarnos de que se entienda la voz indígena, se entienda nuestra forma de vida?

“Cuando se trata de agricultura y simplemente de nuestra forma de vida, a veces pienso que esas cosas se pierden con los avances… pero hay un tiempo y una estación para todo, y es solo mostrar el debido respeto y seguir adelante con eso”, dice Esquerra.

El instituto está desarrollando planes de estudio sobre el uso de tecnologías avanzadas para preparar a los estudiantes para un futuro de tecnología agrícola.

Todos los involucrados reconocen que la tecnología está en su infancia y seguramente habrá obstáculos inesperados para su adopción cuando comience a implementarse. Pero están igualmente seguros de que es el futuro de la agricultura. “Va a haber un crecimiento explosivo”, predice Ganapathysubramanian.

El equipo implementará cualquier tecnología impulsada por IA, que se desarrollará en invernaderos este invierno, en los campos de maíz en la primavera. Si todo va según lo planeado, es posible que algún día escuche el zumbido de un dron tomando imágenes aéreas, vislumbre una cámara de captura de movimiento que documenta el movimiento de las hojas y tal vez incluso vea un robot que mide la absorción de agua de una planta.



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