讓蔬菜更好吃，這次真的是運用了高科技

　　近日，麻省理工學院研究團隊聯合 Cognizant 公司，嘗試了一系列香料九層塔（羅勒）的種植實驗。他們沒有采用轉基因技術，僅用普通的九層塔種子，通過機器學習算法控制生長環境，使其時刻處于最利于生長的狀態，調節參數包括光照時間、紫外線照射時間和有效光照輻射（PAR）等。

　　最終發現，24 小時光照竟然是最適宜九層塔生長的環境因素之一，培育出的成品味道遠超普通九層塔。未來，研究團隊計劃用類似的方法提高植物產量，甚至是提高它們體內特定物質的含量，幫助對抗一些疾病。

圖 | 試驗中所有九層塔的生長環境，包括光照，都受到了嚴格的控制（來源：Melanie Gonick）

　　評判標準

　　結合機器學習和植物種植，并非心血來潮。麻省理工學院早在2015年，就提出了 OpenAgriculture（開放農業）倡議，致力于將人工智能技術應用在農業領域，同時秉承開源精神，將研究成果以軟硬件結合的形式共享給所有人，提高全球農業技術的整體水平。

　　之所以選擇九層塔，是因為它是一種西方料理中常見的香料，被譽為“香料之王”。由于可以散發出濃郁的香氣，它在西餐中的地位相當于我國美食里面的香菜。甚至在三杯雞、燒茄子等中式菜肴中也會有它的身影。

　　研究人員正是利用這種特點，通過氣相色譜-質譜聯用法（GC-MS）分析它的香氣濃度，進而評估它的味道，參考成分多達十余種。

　　總的來說，九層塔香氣越濃，味道越好，而且還會含有更豐富營養素和抗氧化物質，更有營養。

　　控制變量

　　在“九層塔香氣優化”實驗中，研究人員使用了無土水培技術，將所有九層塔裝在適合運輸的容器中，再放入由電腦控制的培育室里。他們將整套設備稱為“食物計算機”，可以精準控制環境變量。

　　在保持溫度和濕度等參數恒定的前提下，研究團隊選擇了三種變量：光照時長，紫外線時長和光合有效輻射（PAR）時長。

　　光照時長很好理解，它與綠葉植物的生長效率密不可分，決定了儲存香氣揮發物的毛狀體的形成，變量值在 0-24 小時之間。紫外線的作用則在于增加香氣揮發物的含量，進而用來檢驗實驗成果，變量值也在 0-24 小時之間。

圖 | “食物計算機”

　　而光合有效輻射比較特殊，它代表著可以用來進行光合作用的光照，由燈的種類決定。比如兩株植物各配有一臺經過特殊設計的燈，即使照射時長相同，發出的有效輻射也有差異，最終進行的光合作用也有不同。這一變量最難控制和改變，因為它對硬件需求較高，而且需要特殊的優化算法才能找到最佳配置。

　　設計優化模型

　　面對三個變量衍生出的數百萬種排列組合，如何找到效果最好的一種？研究人員將目光投向了機器學習。

　　他們選擇了符號回歸（Symbolic Regression）方法，其優點在于不依賴于現有知識，可以有效利用進化方法，為非線性系統建立預測和優化模型。該方法還比其他回歸模型更易于解釋，研究人員更容易找出變量之間的關系，為未來的實驗開發新模型。

　　優化過程中，除了上述三個變量，符號回歸模型還會考慮溫度、濕度和香氣揮發物濃度等信息，將它們作為輸入值，評估優化方法。

　　研究人員強調，盡管符號回歸在多次迭代后無法保證收斂，但實驗當中的預測只需一次迭代，無需保證收斂。

　　種植實驗

　　種植實驗進行了三輪，每一輪包括 9 盤同時生長的九層塔，其中每輪會有 3 盤一直使用控制參數，來作為衡量標準。

　　第一輪的環境參數由人工決定，主要目的是調查紫外線的效果和燈的選擇。第二輪參數由無監督算法選擇，加入了光照變量和提高了參數多樣性。

　　在分析了前兩輪的生長數據后，第三輪參數由符號回歸模型給出。具體來說，該模型一共評估了 200 萬種組合方案，研究人員從中挑選了 18 種效果最好的，應用于種植實驗中。

　　最終結果顯示，九層塔在 24 小時光照的情況下，生長狀態最好，釋放的香氣也最濃郁。

圖 | 三種變量組合而成的結果圖，好吃程度由高到低分別是：紅色>黃色>綠色>藍色

　　這一結果十分出人意料，因為大自然中極少出現 24 小時日照的情況，只有在極地地區才會發生，但那里又不適合植物生長。

　　在此之前，以自然種植測試為主的農業領域，幾乎沒有可能發現這種看似“反直覺”的特征，即使人們知道 24 小時光照會讓特定植物生長旺盛，但并不知道這還會影響到它們的味道。

　　除了味道以外，研究人員正在嘗試更多種機器學習和農業的結合方式。比如探索環境變量對營養素和其它成分的影響，尋找是否可以利用機器學習提高某些成分的含量，讓食用植物變得更加營養，產量更高，甚至是適應氣候變化和抵抗害蟲。

　　這項研究成果發表于 4 月 3 日的 《公共科學圖書館·綜合》（PLoS One）期刊上。

　　參考：

　　http://news.mit.edu/2019/algorithm-growing-agriculture-0403

　　https://www.technologyreview.com/s/613262/machine-learning-is-making-pesto-even-more-delicious/

　　https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0213918