Qu'est-ce qui fait que les plantes ont bon goût ? Pour les scientifiques du Media Lab du MIT, il faut une combinaison de botanique, algorithmes d'apprentissage automatique, et une bonne chimie à l'ancienne.

En utilisant tout ce qui précède, Les chercheurs de l'Open Agriculture Initiative du Media Lab rapportent qu'ils ont créé des plantes de basilic qui sont probablement plus délicieuses que toutes celles que vous avez jamais goûtées. Aucune modification génétique n'est impliquée :les chercheurs ont utilisé des algorithmes informatiques pour déterminer les conditions de croissance optimales afin de maximiser la concentration de molécules savoureuses connues sous le nom de composés volatils.

Mais ce n'est que le début du nouveau domaine de la « cyberagriculture, " dit Caleb Harper, chercheur principal au Media Lab du MIT et directeur du groupe OpenAg. Son groupe travaille maintenant sur l'amélioration des propriétés de lutte contre les maladies humaines des herbes, et ils espèrent également aider les producteurs à s'adapter aux changements climatiques en étudiant comment les cultures poussent dans différentes conditions.

"Notre objectif est de concevoir une technologie open source à l'intersection de l'acquisition de données, sentir, et l'apprentissage automatique, et l'appliquer à la recherche agricole d'une manière qui n'a jamais été faite auparavant, " dit Harper. " Nous sommes vraiment intéressés par la création d'outils en réseau qui peuvent prendre l'expérience d'une usine, son phénotype, l'ensemble des contraintes qu'il rencontre, et sa génétique, et numérisez cela pour nous permettre de comprendre l'interaction plante-environnement."

Dans leur étude des plantes de basilic, qui paraît dans le numéro du 3 avril de PLOS UN , les chercheurs ont trouvé, à leur grande surprise, que l'exposition des plantes à la lumière 24 heures sur 24 a généré la meilleure saveur. Les techniques agricoles traditionnelles n'auraient jamais donné cette idée, dit Jean de la Parra, le responsable de la recherche pour le groupe OpenAg et un auteur de l'étude.

"Vous n'auriez pas pu découvrir cela autrement. À moins que vous ne soyez en Antarctique, il n'y a pas de photopériode de 24 heures à tester dans le monde réel, " dit-il. " Il fallait des circonstances artificielles pour le découvrir. "

Harper et Risto Miikkulainen, professeur d'informatique à l'Université du Texas à Austin, sont les auteurs principaux de l'article. Arielle Johnson, un réalisateur boursier au Media Lab, et Elliot Meyerson de Cognizant Technology Solutions sont les auteurs principaux, et Timothée Savas, un assistant de projets spéciaux à l'Open Agriculture Initiative, est aussi auteur.

Maximiser la saveur

Situé dans un entrepôt à Middleton, Massachusetts, les plantes OpenAg sont cultivées dans des conteneurs d'expédition qui ont été réaménagés de manière à ce que les conditions environnementales, y compris la lumière, Température, et l'humidité, peut être soigneusement contrôlé.

Ce type d'agriculture a plusieurs noms :agriculture environnementale contrôlée, agriculture verticale, l'agriculture urbaine - et reste un marché de niche, mais grandit vite, dit Harper. Au Japon, une de ces "usines végétales" produit des centaines de milliers de têtes de laitue chaque semaine. Cependant, il y a eu aussi de nombreux efforts infructueux, et il y a très peu d'échanges d'informations entre les entreprises travaillant au développement de ce type d'installations.

L'un des objectifs de l'initiative MIT est de surmonter ce genre de secret, en fabriquant tout le matériel OpenAg, Logiciel, et des données librement disponibles.

"Il y a un gros problème en ce moment dans l'espace agricole en termes de manque de données accessibles au public, manque de normes dans la collecte de données, et le manque de partage des données, " dit Harper. " Ainsi, alors que l'apprentissage automatique, l'intelligence artificielle et la conception d'algorithmes avancés ont évolué si rapidement, la collection de bien étiquetés, les données agricoles significatives sont loin derrière. Nos outils étant open-source, Espérons qu'ils se propageront plus rapidement et créeront la capacité de faire de la science en réseau ensemble. »

Dans le PLOS UN étudier, l'équipe du MIT s'est attachée à démontrer la faisabilité de leur approche, qui consiste à faire pousser des plantes dans différents ensembles de conditions dans des conteneurs hydroponiques qu'ils appellent « ordinateurs alimentaires ». Cette configuration leur a permis de faire varier la durée de la lumière et la durée d'exposition à la lumière ultraviolette. Une fois que les plantes ont atteint leur pleine croissance, les chercheurs ont évalué le goût du basilic en mesurant la concentration de composés volatils présents dans les feuilles, en utilisant des techniques traditionnelles de chimie analytique telles que la chromatographie en phase gazeuse et la spectrométrie de masse. Ces molécules contiennent des nutriments précieux et des antioxydants, Ainsi, l'amélioration de la saveur peut également offrir des avantages pour la santé.

Toutes les informations issues des expériences en usine ont ensuite été intégrées dans des algorithmes d'apprentissage automatique développés par les équipes du MIT et de Cognizant (anciennement Sentient Technologies). Les algorithmes ont évalué des millions de combinaisons possibles de durée de lumière et d'UV, et généré des ensembles de conditions qui maximiseraient la saveur, y compris le régime de lumière du jour de 24 heures.

Au-delà de la saveur, les chercheurs travaillent maintenant au développement de plantes de basilic avec des niveaux plus élevés de composés qui pourraient aider à lutter contre des maladies telles que le diabète. Le basilic et d'autres plantes sont connus pour contenir des composés qui aident à contrôler la glycémie, et dans des travaux antérieurs, de la Parra a montré que ces composés peuvent être renforcés par des conditions environnementales variables.

Les chercheurs étudient maintenant les effets du réglage d'autres variables environnementales telles que la température, humidité, et la couleur de la lumière, ainsi que les effets de l'ajout d'hormones végétales ou de nutriments. Dans une étude, ils exposent les plantes au chitosane, un polymère trouvé dans les coquilles d'insectes, ce qui fait que la plante produit différents composés chimiques pour éloigner l'attaque des insectes.

Ils sont également intéressés à utiliser leur approche pour augmenter les rendements de plantes médicinales telles que la pervenche de Madagascar, qui est la seule source des composés anticancéreux vincristine et vinblastine.

« Vous pouvez voir cet article comme le premier plan pour de nombreuses choses différentes qui peuvent être appliquées, et c'est une exposition de la puissance des outils que nous avons construits jusqu'à présent, " dit de la Parra. " C'était l'archétype de ce que nous pouvons maintenant faire à plus grande échelle. "

Adaptation climatique

Une autre application importante pour la cyber agriculture, disent les chercheurs, est l'adaptation au changement climatique. Bien qu'il faille généralement des années ou des décennies pour étudier comment différentes conditions affecteront les cultures, en milieu agricole contrôlé, de nombreuses expériences peuvent être réalisées en peu de temps.

"Quand tu fais pousser des choses dans un champ, vous devez compter sur la météo et d'autres facteurs pour coopérer, et vous devez attendre la prochaine saison de croissance, " dit de la Parra. " Avec des systèmes comme le nôtre, nous pouvons augmenter considérablement la quantité de connaissances qui peuvent être acquises beaucoup plus rapidement."

L'équipe OpenAg réalise actuellement une telle étude sur les noisetiers pour le fabricant de bonbons Ferrero, qui consomme environ 25 pour cent des noisettes du monde.

Dans le cadre de leur mission éducative, les chercheurs ont également développé de petits « ordinateurs alimentaires personnels », des boîtes qui peuvent être utilisées pour faire pousser des plantes dans des conditions contrôlées et renvoyer des données à l'équipe du MIT. Ceux-ci sont maintenant utilisés par de nombreux lycéens et collégiens aux États-Unis, parmi un réseau d'utilisateurs diversifiés répartis dans 65 pays, qui peuvent partager leurs idées et leurs résultats via un forum en ligne.

"Pour nous, chaque case est un point de données qui nous intéresse beaucoup, mais c'est aussi une plate-forme d'expérimentation pour l'enseignement des sciences de l'environnement, codage, chimie, et les mathématiques d'une nouvelle manière, " dit Harper.