W Opalenicy (woj. wielkopolskie) 10 lutego odbyła się konferencja pt. „Biologiczna inteligencja roślin i gleby”, zorganizowana przez spółkę Andermatt Polska. Podczas wydarzenia omówiono m.in. nowoczesną technologię firmy Vivent Biosignals oraz najnowsze osiągnięcia i rozwiązania w obszarze komunikacji z roślinami i precyzyjnego zarządzania dla upraw precyzyjnych.
Plantish – język roślin
Wydarzenie otworzył wykład prof. Hazema M. Kalaji (fot. 1) z SGGW, który wyjaśnił, czym jest Plantish (język roślin) i jak można próbować go odkodować z korzyścią dla rolnictwa. Specjalista przekazał, że czynnikiem kluczowym w komunikacji z roślinami jest proces fotosyntezy. Każdy stres, który dotyka rośliny, ma w niej odzwierciedlenie i na podstawie zmian w fotosyntezie można obserwować bieżący stan roślin. Na tej podstawie można np. tworzyć predykcje dotyczące plonowania upraw w poszczególnych regionach albo ryzyka wystąpienia suszy czy innych stresów środowiskowych. Mechanizm ten jest wykorzystywany przez system MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer), który pozwala na monitorowanie zmian związanych z fotosyntezą, choć nie mierzy jej bezpośrednio. Satelity NASA wyposażone w MODIS dostarczają dane, które umożliwiają np. tworzenie indeksów wegetacji pokazujących aktualną kondycję roślin na danym obszarze.
Profesor pokazał również urządzenie, które opracował w ramach swoich badań – jest to tzw. EKG roślin. Odczyt danych z wykresu odbywa się w sposób analogiczny, jak interpretacja EKG człowieka – krzywa wykresu i odległości pomiędzy poszczególnymi punktami na nim pozwalają na identyfikację różnych stresów występujących w roślinach. Wysoka częstotliwość próbkowania – sięgająca setek tysięcy punktów na sekundę – pozwala na rejestrowanie bardzo subtelnych zmian sygnału. Analiza tych danych umożliwia wychwycenie pojawienia się stanu stresu u roślin nawet na 2-3 tygodnie przed wystąpieniem objawów widocznych gołym okiem.
W ramach prowadzonych przez profesora badań powstał już prototyp urządzenia rolniczego z systemem Plantish. Jest ono wyposażone w sensory umożliwiające pomiar poziomu fotosyntezy, a na podstawie zebranych danych określane są potrzeby nawozowe, co umożliwia precyzyjne, celowane dostarczanie np. tylko jednego składnika odżywczego.
Specjalista podkreślił, że rośliny mogą znakomicie same kontrolować środowisko wokół siebie, jeśli otrzymają do tego odpowiednie „narzędzia”. Przytoczył przykład projektu Greenhouse Silent Disco, w którym system komputerowy steruje m.in. natężeniem światła i innymi parametrami, na podstawie danych zbieranych przez sensory umieszczone w roślinach – de facto to one same decydują o tym, jak zmienia się np. klimat w szklarni.
Komunikacja przez sygnały elektryczne
Temat komunikacji z roślinami na podstawie sygnałów elektrycznych rozwinął dr Andrzej Kurenda (fot. 2) reprezentujący firmę Vivent Biosignals. Przypomniał, że rośliny komunikują się z otoczeniem poprzez wiele różnych sygnałów, np. chemicznych – funkcje tę mogą pełnić chociażby fitohormony. W firmie Vivent skupiono się na opracowaniu systemu, który pozwala na odczytywanie sygnałów elektrycznych za pomocą elektrofizjologii. Specjalista podkreślił, że pozyskanie i poprawne zinterpretowanie informacji zawartych w receptorach rośliny pozwoliłoby na znacznie lepszą optymalizację jej życia w środowisku. Do tego celu służą czujniki Vita (fot. 3). Mają one dwie elektrody, które są umieszczane w tkance roślinnej i rejestrują elektryczne sygnały naturalnie występujące w roślinach, bez dodatkowego stymulowania. Elektrofizjologia pozwala np. na badanie kanałów jonowych służących do pobierania poszczególnych składników odżywczych przez system korzeniowy.
Czujniki Vita rejestrują przepływy jonowe, które są modelowane m.in. przez procesy fotosyntezy i transpiracji. Sygnały mierzone przez biosensory występują w różnych skalach czasowych – od milisekund i sekund (reakcje elektrofizjologiczne) po zmiany obserwowane w skali godzin i dni. Wyzwaniem staje się właściwe ich zdekodowanie. W tym celu wykorzystywana jest sztuczna inteligencja trenowana w kontrolowanych eksperymentach, w których porównuje się z grupą kontrolną rośliny poddane określonemu stresowi. Na tej podstawie wyodrębniane są charakterystyczne cechy sygnałów i budowane modele AI pozwalające identyfikować przyczyny stresu w postaci nowych danych. Obecnie system umożliwia wykrywanie m.in. stresu wodnego oraz niedoborów azotu, potasu, fosforu, wapnia, żelaza i manganu.
Zebrane dane są prezentowane w formie wykresów. Nie są to bezwzględne parametry fizyczne, lecz procentowe prawdopodobieństwo wystąpienia określonego stresu, wyliczane przez modele AI. Status roślin wizualizowany jest kolorami (zielony, żółty, czerwony), co ułatwia szybką ocenę sytuacji oraz porównania między grupami roślin. System pozwala także łączyć te informacje z danymi klimatycznymi i analizować zmiany w czasie. Istotą rozwiązania jest możliwość wykrywania niedoborów i czynników stresowych nawet kilkanaście dni przed pojawieniem się ich objawów wizualnych na roślinie. W praktyce służy do tego aplikacja Vivent Vita, która umożliwia szybką konfigurację urządzeń, dodawanie i grupowanie ich w systemie oraz zawiera instrukcje na temat instalacji, zarządzania i tworzenia projektów.
Aplikacja jest wyposażona w asystenta AI, który wspiera plantatorów w interpretacji danych. Można mu zadać dodatkowe pytania, poprosić o podsumowanie lub uzupełniające informacje. System dostarcza użytkownikom alerty i rekomendacje, umożliwiając precyzyjne nawadnianie i nawożenie na podstawie rzeczywistych potrzeb roślin. Praktyczne wdrożenia pokazują, że system wspiera precyzyjne nawadnianie i nawożenie. Urządzenie oraz aplikacja były testowane w ubiegłym roku w uprawie truskawek.
Integracja z istniejącymi systemami
Aby wdrożenie czujników Vita było proste i skuteczne, należy zintegrować je z istniejącym oprogramowaniem sterującym wykorzystywanym w szklarniach czy tunelach. Ten aspekt poruszył Krzysztof Prokopowicz reprezentujący firmę Priva. Specjalista zaznaczył, że choć pełne sterowanie uprawą na podstawie sygnałów roślin jest wciąż w fazie rozwoju, już dziś możliwa jest efektywna wymiana danych między systemami.
Podstawą sterowania w oprogramowaniu Priva jest rozwijana od ponad dekady platforma Connext (wcześniej Integro). Przeszła setki aktualizacji, które udoskonaliły algorytmy sterowania i rozszerzyły funkcjonalność. System działa w chmurze, umożliwia dostęp wielu użytkownikom oraz łatwe udostępnianie danych firmom zewnętrznym. Wbudowane centrum powiadomień informuje o alarmach i zapewnia stały dostęp do aktualnych wersji oprogramowania.
Połączenie systemu Priva Connext z oprogramowaniem takim, jak czujniki Vita, jest możliwe poprzez wtyczkę API Services – umożliwia ona „podpięcie” różnych usług od innych przedsiębiorstw pod komputer Priva. Jak przekazał Krzysztof Prokopowicz, coraz więcej firm otwiera się na współpracę i integruje swoje systemy z tym systemem.
Prelegent poruszył także inne aspekty wykorzystywania zaawansowanych systemów sterowania na plantacjach. Zwrócił m.in. uwagę na konieczność regularnego serwisowania i kontroli elementów takiego systemu, np. sensorów temperatury, wilgotności czy czujników do pomiaru VPD (Vapor Pressure Deficit – deficyt ciśnienia pary wodnej). Przy błędnych danych wejściowych niemożliwe staje się prawidłowe sterowanie klimatem w szklarni.
Specjalista zapowiedział także wprowadzenie nowej wersji oprogramowania Connext – o numerze 916. Wprowadzi ona wspólny protokół komunikacyjny z producentami oświetlenia, co pozwoli sterować lampami asymilacyjnymi bezpośrednio z poziomu jednego systemu. Możliwe będzie tworzenie zaawansowanych bloków programowych, umożliwiających tworzenie własnych zależności sterujących (np. powiązanie EC pożywki z temperaturą wody) oraz niestandardowych scenariuszy pracy instalacji.
