A técnica vai ajudar a resolver alguns dos maiores problemas da agricultura: trabalho, água, clima e mudanças climáticas

Pesquisadores do Biocomplexity Institute da University of Virginia (UVA) são parceiros fundadores de um instituto de pesquisa nacional que desenvolverá soluções baseadas em inteligência artificial (IA) para alguns dos maiores problemas da agricultura: trabalho, água, clima e mudanças climáticas.

O instituto de US $ 20 milhões, chamado AgAID, inclui a UVA, sete outras universidades de pesquisa e duas empresas de tecnologia. É um dos 11 lançados pela National Science Foundation e entre dois que o Departamento de Agricultura dos Estados Unidos – Instituto Nacional de Alimentos e Agricultura financiou até agora em 2021. Instituto AgAID é a abreviatura de Instituto USDA-NIFA para IA Agrícola para Transformação de Força de Trabalho e Apoio à Decisão. E é liderado pela Washington State University.

AgAID será um instituto multidisciplinar e colaborativo envolvendo professores e cientistas com experiência em uma ampla gama de áreas em ciência da computação, agricultura e alcance agrícola. Além da UVA e do estado de Washington, os membros do instituto incluem a Oregon State University; Universidade da Califórnia, Merced; Universidade Carnegie Mellon; Heritage University; Wenatchee Valley College; e a Kansas State University. Parceiros do setor privado incluem IBM Research e a start-up innov8.ag.

Técnicas rigorosas de Inteligência Artificial

A equipe UVA é liderada por Madhav Marathe. Professor do Departamento de Ciência da Computação da Escola de Engenharia e diretor da divisão de Ciência de Sistemas de Rede e Computação Avançada do Instituto de Biocomplexidade. A equipe de pesquisa de Marathe é composta por especialistas que contribuirão com o desenvolvimento de técnicas rigorosas de Inteligência Artificial (IA). Usa supercomputadores de última geração.

Além de Marathe, a equipe inclui os pesquisadores Samarth Swarup, Abhijin Adiga, Anil Vullikanti, S.S. Ravi, Mandy Wilson, Joshua Goldstein e o consultor externo Sarit Kraus, professor de ciência da computação na Universidade Bar-Ilan em Israel. Vullikanti também é professor de ciência da computação na UVA Engineering.

“Nossa abordagem de equipe de ciência para lidar com problemas complicados no mundo hoje nos permitirá desvendar as complexidades de alcançar sistemas agrícolas mais sustentáveis”, disse Marathe.

Lucros crescentes e grandes perdas

“Os problemas que o Instituto AgAID abordará são grandes exemplos de biocomplexidade, pois envolvem pessoas, fazendas, clima, genômica, pragas e outros fatores que, considerados isoladamente, simplesmente não podem fornecer o quadro completo das questões subjacentes; no entanto, estudados juntos, como um sistema complexo, seremos capazes de obter insights valiosos para resolver esse quebra-cabeça e fornecer soluções para os tomadores de decisão. ”

No oeste dos Estados Unidos, a agricultura é uma indústria multibilionária, responsável por mais de 300 variedades de safras. Agricultores e formuladores de políticas naquela região lutam com lucros crescentes, grandes perdas de safra e má qualidade da safra devido a vários desafios. Aqui, inclui aumento dos custos de mão de obra, escassez de trabalhadores qualificados, clima e incertezas de produção e escassez de água.

Melhor tecnologia poderia ajudá-los a superar esses obstáculos. E, portanto, leva-los a uma agricultura mais sustentável. Por exemplo, a recente onda de calor e a seca extrema no oeste dos Estados Unidos mostram a urgência de manejar variedades de culturas e fazer uso eficiente da água.

Cria novas oportunidades

“Embora se espere que a IA seja um impulsionador fundamental para enfrentar esses desafios, as capacidades de IA devem ser significativamente expandidas e, especialmente, precisam levar em conta a entrada e o comportamento humanos – exigindo uma forte coalizão AI-Ag que aborde os desafios enquanto cria novas oportunidades para alcançar inovação sustentada e sistemas de abastecimento de alimentos mais resilientes ”, disse Marathe.

A equipe combinará técnicas em ciência de rede e simulações baseadas em agentes para desenvolver soluções inovadoras para problemas de gestão de água e fazendas. Um foco principal é desenvolver métodos baseados em IA que sejam explicáveis ​​e levem em consideração as questões emergentes relacionadas à justiça e à ética.

“O UVA Biocomplexity Institute tem grande experiência com programas de pesquisa interdisciplinares e um histórico comprovado de lidar com desafios complexos usando soluções inovadoras de IA”, disse Melur K. Ramasubramanian, vice-presidente de pesquisa da UVA.

Humanos manipulam as plantações

“Nos últimos 18 meses, a equipe do Biocomplexity Institute modelou cenários para ajudar os governos e a comunidade de pesquisa global a compreender e mitigar a disseminação do COVID-19. Sua experiência em simular cenários de situações complexas e produzir ferramentas de alta tecnologia será extremamente benéfica para atingir os objetivos do novo Instituto AgAID. ”

Enquanto o desenvolvimento de IA tradicional envolve cientistas fazendo ferramentas e as entregando aos usuários finais, o Instituto AgAID envolverá as pessoas que usarão as soluções de IA, ou seja, de fazendeiros e trabalhadores a legisladores, em seu desenvolvimento, disse Ananth Kalyanaraman, um especialista em ciência da computação do Estado de Washington professor e investigador principal do novo instituto.

“As pessoas fazem parte do ecossistema agrícola. Não se trata apenas de plantas crescendo ”, disse Kalyanaraman. “Os humanos manipulam as plantações diariamente e tomam decisões complexas, como alocar água ou mitigar os efeitos de uma tempestade que se aproxima. Nosso objetivo é associar o conhecimento humano com ferramentas de IA de uma forma que amplifique os resultados finais, onde o todo é maior do que a soma de suas partes. ”

Inteligência Artificial pode reduzir a divisão entre trabalhadores altamente qualificados e pouco qualificados

O Instituto AgAID adotará uma abordagem “adotar-adaptar-amplificar”, disse Kalyanaraman. Isso significa, portanto, que primeiro o instituto projetará soluções de IA em parceria com as pessoas que usam as ferramentas. Isso, para que sejam práticas e tenham maior probabilidade de serem adotadas.

Os pesquisadores também trabalharão, similarmente, para criar soluções que possam se adaptar a ambientes em mudança. E, bem como, que ampliem a produtividade ao combinar as habilidades humanas e as capacidades das máquinas para serem mais eficazes do que seriam isoladamente. Por exemplo, podar árvores é uma tarefa altamente qualificada, mas um trabalhador iniciante pode se beneficiar de uma ferramenta de IA que fornece orientação especializada para ajudar a decidir qual é o melhor galho para podar. A tarefa, por fim, é executada melhor e o trabalhador começa a aprender com o feedback. Com a escassez de mão de obra qualificada, a humanos manipulam as plantações, disse Kalyanaraman.

“É uma parceria. A IA pode nos ajudar basicamente a reduzir a divisão entre trabalhadores altamente qualificados e pouco qualificados ”, disse ele.

Educar a força de trabalho em todos os níveis, em suma, é fundamental para o Instituto AgAID. Não apenas para incentivar a adoção da IA, mas por uma questão de equidade, de acordo com os líderes do instituto. Eles planejam vários programas de educação desde o ensino fundamental até o ensino superior e treinamento de trabalhadores.

Alimentar este setor

O objetivo, igualmente, é elevar os níveis de habilidade em IA e abrir novos planos de carreira. Eles podem melhorar a remuneração e a qualidade de vida dos trabalhadores agrícolas. Também pode atrair mais pessoas para as profissões de agricultura e computação.

“Alunos e pesquisadores de pós-doutorado são parte integrante do programa”, disse Marathe. “É fundamental que preparemos a força de trabalho da próxima geração para carreiras na interseção da agricultura e da tecnologia de IA. A UVA está posicionada de maneira única para alimentar este setor, devido ao seu excelente departamento e programa de ciência da computação.”.

Gerenciamento de longo prazo e planejamento de recursos

O Instituto AgAID realizará vários casos de teste envolvendo culturas especiais, muitas das quais crescem no oeste dos Estados Unidos, como maçãs, cerejas, hortelã e amêndoas. Essas safras envolvem vários desafios importantes. Requerem, eventualmente, trabalho intensivo e irrigação. E, também, são vulneráveis ​​a eventos meteorológicos e mudanças climáticas. Culturas especiais representam 87% da força de trabalho agrícola dos EUA e cerca de 40% dessas safras são perenes, exigindo gerenciamento de longo prazo e planejamento de recursos.

Os difíceis desafios colocados por esses casos significariam que as soluções do Instituto AgAID seriam rigorosamente testadas antes de serem transferidas para outras regiões do país, disse Kalyanaraman.

“Sabemos que a IA tem um potencial sério para fazer descobertas inovadoras e transformar nossas capacidades de tomada de decisão de uma forma informada por dados, mas a tecnologia precisa ser desenvolvida de uma maneira muito cuidadosa”, disse ele.

Ft: hpcwire