Genom att integrera artificiell intelligens i dagens miljökontrollsystem kan energiförbrukningen för inomhusjordbruk minskas med 25% – vilket kan bidra till att föda världen när dess befolkning ökar, har Cornell-ingenjörer funnit.
”Om vi införlivar AI i fabriker för jordbruksväxter – storskaliga inomhusodlingar med komplett belysning och klimatkontroll – över helavärlden, kan vi underlätta grödornas fotosyntes, transpiration och andning i dessa byggnader”, säger Benjamin Decardi-Nelson, postdoktor i laboratoriet hos Fengqi You, Roxanne E. och Michael J. Zak Professor in Energy Systems Engineering i Cornell Engineering. ”Vi kan förvänta oss att se betydande energiminskningar samtidigt som effektiviteten ökar och dyrbara resurser sparas.”
Deras forskning, ”Artificiell intelligens kan reglera ljus- och klimatsystem för att minska energianvändningen i växtfabriker och stödja hållbar livsmedelsproduktion”, publiceras i Nature Food.
Enligt FN förväntas världens befolkning växa till 9,7 miljarder människor år 2050. Denna tillväxt, i kombination med klimatförändringar och urbanisering, kräver lösningar på bristerna i världens nuvarande livsmedelsproduktionssystem, säger forskarna.
Odlingsmetoder inomhus, t.ex. växtfabriker med artificiell belysning, är mindre sårbara för klimatförändringar, men de är energikrävande och kräver noggrann resurshantering för att vara hållbara.
”Befintliga miljökontrollsystem är inte tillräckligt smarta”, säger You, som är meddirektör för Cornell Institute for Digital Agriculture och meddirektör för Cornell University AI for Science Institute.
Ventilation kan minska energianvändningen, men försvårar växternas tillväxt genom att påverka koldioxidnivåerna och fuktbalansen. AI-verktyg kan hjälpa regleringsmetoderna att ta hänsyn till dessa kriterier.
”Artificiell intelligens erbjuder en lovande lösning genom att hantera flera komplexiteter”, säger Decardi-Nelson.
Med hjälp av AI-tekniker som deep reinforcement learning och beräkningsoptimering analyserade forskarna sallat som odlats i inomhusanläggningar på åtta olika platser i USA – Los Angeles, Chicago, Miami, Seattle, Milwaukee, Phoenix, Fargo i North Dakota och Ithaca i New York – samt i Reykjavik på Island och Dubai i Förenade Arabemiraten.
AI minskar energianvändningen genom att optimera belysnings- och klimatregleringssystemen. Energianvändningen sjönk till 6,42 kilowattimmar per kilo färskvikt (energi som behövs eller används för att producera ett kilo inomhusodlad sallad) från 9,5 kilowattimmar per kilo färskvikt på platser där man inte använder AI-teknik. Forskarna fann att i varmare områden som Dubai eller södra USA minskade AI energianvändningen till 7,26 kilowattimmar per kilo färskvikt, jämfört med 10,5 kilowattimmar per kilo färskvikt.
Låg ventilation under ljusa perioder (16 timmar simulerat solljus) och hög ventilation under mörka perioder (åtta timmar som simulerar natt) gav en energieffektiv lösning för optimala koldioxidnivåer inomhus för fotosyntes, syre för andning och växttillväxt samt balanserade övriga ventilationsbehov.
”Det här är ett koncept som påminner mycket om smarta hem”, säger You. ”Vi vill ha det bekvämt hemma och samtidigt minska energianvändningen, och det vill även grödorna. Det här arbetet fokuserar på ett smart system för att göra livsmedelsproduktionen optimal, hållbar och minska koldioxidavtrycket. Det är vad AI gör mycket bra. Vi kan spara en hel del om vi använder AI för att optimera den artificiella belysningen och andra energisystem på ett noggrant sätt.”
Genom att effektivisera verksamheten med hjälp av AI för att minska energiförbrukningen blir inomhusodlingar lönsamma, säger Decardi-Nelson, även i regioner med begränsade möjligheter till energibesparingar.
”Genom att strategiskt anpassa tekniken för miljökontrollsystem till växtbiologin”, säger Decardi-Nelson, ”kan man spara energi genom att använda ventilation samtidigt som man minimerar koldioxidavfallet och upprätthåller idealiska odlingsförhållanden.”
För mer information: Benjamin Decardi-Nelson et al, Artificiell intelligens kan reglera ljus- och klimatsystem för att minska energianvändningen i växtfabriker och stödja hållbar livsmedelsproduktion, Nature Food (2024). DOI: 10.1038/s43016-024-01045-3
