明年春天，一支由美國康奈爾大學開發的PhytoPatholoBots(PPB)機器人小軍團將被部署到美國各地的四個葡萄育種項目中，執行指導全球葡萄和葡萄酒行業進入21世紀的任務。

這些自主機器人將在葡萄園中滾動，利用計算機視覺來收集每個葡萄樹的生理狀態數據。通過將這些數據與十年來的葡萄育種突破相結合，康奈爾大學的研究人員正在完善PPB，使育種者和種植者能夠實時評估他們的葡萄園--逐葉評估，直至化學水平。

應用機器人專家 Yu Jiang(左)是綜合植物科學學院園藝系助理教授和康奈爾農業科技大學葡萄病理學聯合首席研究員兼助理教授 Katie Gold 與 PhytoPatholobot。

PPB的推廣是在康奈爾大學一個新的四年期項目的第一年進行的，該項目由美國國家食品和農業研究所特種作物研究計劃(NIFA-SCRI)提供1000萬美元的全國性資助，并由明尼蘇達大學領導。這筆撥款擴展了NIFA-SCRI之前資助的VitisGen1和2項目，這是一項長達十年的合作，康奈爾大學領導的全國科學家團隊發現了許多控制葡萄樹重要性狀的基因，如抗病性、抗蟲性以及水果和葡萄酒質量。有了這些寶貴的新基因資源，全國各地的葡萄育種者已經能夠在創紀錄的時間內用結合高質量和高抗病性的新品種儲備他們的管道。

康奈爾大學的新項目側重于通過結合植物病理學、計算機視覺、人工智能和機器人技術將VitisGen的遺傳和技術創新引入葡萄園。這項工作對于鼓勵種植者開始廣泛種植由VitisGen提供的新的抗病葡萄品種至關重要。今天種植的幾乎所有葡萄品種都對白粉病和霜霉病高度敏感--在過去的140年里，全世界的種植者都使用多種化學殺菌劑來管理這些疾病。

康奈爾農業技術公司USDA-ARS葡萄遺傳學研究部門的聯合項目主任和研究植物病理學家Lance Cadle-Davidson說："僅采用這些新品種就有可能減少90%的農藥使用。現在，育種者已經將自然抗病性引入即將商業化的品種中，種植者需要最新的指導。"

為了全面發展這一指導，Cadle-Davidson已經聘請了康奈爾農業科技大學葡萄病理學聯合首席研究員兼助理教授Katie Gold和綜合植物科學學院園藝科助理教授Yu Jiang擔任應用機器人專家。該團隊還包括VitisGen的長期領導者Bruce Reisch，綜合植物科學學院園藝科的植物育種和遺傳學教授，以及合作者Qi Sun，伊薩卡的康奈爾生物信息學設施的聯合主任。

擅長使用成像光譜學進行疾病檢測的Gold將進行田間試驗，為VitisGen的新品種設計低投入的疾病管理方案。光譜學測量物質如何與光和其他電磁輻射相互作用，不同類型的物質產生不同的光譜特征。傳統的相機測量可見光(RGB)光譜內的光譜特征。但是成像光譜學--最初由美國宇航局開創，用于研究太陽系--產生的數據涵蓋的電磁輻射范圍比人眼能看到的大七倍。

PPB在VitisGen2期間形成，在此之前，Jiang幫助Cadle-Davidson通過開發基于人工智能的模型來檢測和量化葡萄上的白粉病和霜霉病，從而加快了在實驗室中評估數千棵樹苗的過程。Jiang用這些模型來驅動Cadle-Davidson的自動表型RGB顯微鏡機器人，名為BlackBird。有了BlackBird，Cadle-Davidson的實驗室看到他們可以評估的秧苗數量增加了60倍，并發現人工智能也比人類更準確地量化疾病。

在這個項目中，Jiang正在用成像光譜儀(也稱為高光譜傳感器)擴大PPB的范圍，將VitisGen實驗室的那些調查擴展到葡萄園，使育種者能夠在自然環境中對葡萄進行表型。Gold還將使用新配備的高光譜PPB，或稱HyperPPB，在化學層面上 "觀察 "植物。她將在田間應用這些數據，在可見癥狀出現之前檢測疾病，并在實驗室中開始描述抗病性背后的機制--抗病性最終由植物的基因構成和環境之間的復雜相互作用決定。

Gold說："葉子的大部分真實變化是在我們看不到的波長中捕獲的，這些波長主要與化學和生理學相對應。高光譜在檢測和區分抗病性和感染動態的多面性、不那么簡單的方面方面真正顯示了它的能力。“

Jiang希望將PPB機器人家族商業化，這樣種植者就可以在比以往更大的范圍內監測疾病以及他們葡萄園中葡萄樹發展的許多其他方面。他說，這項合作是跨學科研究如何加速下一代農業食品系統設計過程的一個典型例子。

“我們正在幫助育種者瞄準根本性的改進，同時使他們能夠更迅速地對變化做出反應，無論是否預測到。”Jiang說。

其中許多不可預測的變化將由氣候變化引起，戈爾德說，這只會增加紐約州的病蟲害壓力，紐約州的病蟲害壓力已經高于美國其他主要葡萄種植區。為了使該州150億美元的產業繼續蓬勃發展，種植者將不得不采用新的抗病品種和精確管理方法。

Cadle-Davidson說：“在VitisGen的過程中，超過65名共同研究者在技術的最前沿一起工作。但是我曾經認為的前沿技術與凱蒂和于曉明帶來的東西相比，根本不值一提。我們現在能夠完成的事情將是如此令人興奮，強大，可能是革命性的。”