“AI-technieken en mensen zullen integreren, zoals ook wetenschappelijke disciplines in elkaar zullen verglijden”

Tweemaandelijks stellen wij een specialist voor. Geven we een insight in de persoon, en zijn onderzoek en verwachtingen. Deze keer WUR-onderzoeker Joseph Peller. Hij beweegt zich van spectral imaging naar segmentatie, fenotypering en arbeidsomstandigheden in de glastuinbouw: ‘Als onderzoeker moet je meer multidisciplinair kunnen denken’.

‘Je kunt in de wetenschap niet langer alleen een roboticus, plantkundige of agronoom zijn. De nieuwe generatie WUR-wetenschappers combineren computer science met hun specifieke vakkennis. Ze weten hoe ze moeten programmeren en begrijpen waarom een organisme groeit zoals die groeit’. Aldus WUR-onderzoeker Joseph Peller. Die ontwikkeling ga je niet tegenhouden. Data blijft komen en wordt alsmaar toegankelijker. Ook voor landbouwers, boeren, vissers en telers die straks on the spot data kunnen lezen en analyseren. ‘AI-technieken en mensen zullen integreren. Zoals ook wetenschappelijke disciplines in elkaar zullen verglijden’, zegt Peller. ‘Er bestaan zoveel kruispaden. Technieken die je binnen een vakgebied leert, kun je soms moeiteloos binnen een andere discipline toepassen. Daarom moet je als onderzoeker meer interdisciplinair kunnen denken’.

Camel City

Zelf is hij daarvan het voorbeeld. Hij is natuurkundige, opgeleid door een astronoom die werkt met spectral imaging en AI binnen de landbouw en visserij. Niet gek toch, lacht hij, voor een jongetje dat opgroeit in het Amerikaanse Winston Salem (bijna 186.000 inwoners) in North Carolina. De bijnaam van die stad: Camel City. Niet voor niks. In Winston Salem staat het hoofdkantoor van de grootste tabaksproducent van het land. Peller herinnert zich vooral de temperatuur. ‘Het is er warm en vochtig, ’s zomers zomaar tot 40 graden’.

Optica en kankeronderzoek

Zijn bachelor haalt hij aan de Appalachian State University in het heuvelachtige Boone, North Carolina. Hoofdvakken: geschiedenis, natuurkunde en theologie. Afstudeerrichting natuurkunde, specialisatie optica. Na die studie kan hij terecht bij het leger (nachtkijkers) of ASML in Connecticut (lithografiesystemen en -machines), of kiezen voor geneeskundig onderzoek. Hij besluit tot het laatste. Meer specifiek: hij doet een PhD naar kankeronderzoek. Zijn mentor is een astronoom. Zij zegt: “Een ster kun je zoals kanker niet aanraken. Als we die ziekte willen traceren, hebben we dezelfde technieken nodig die we gebruiken om sterren te vinden”. Zij brengt hem naar de wereld van spectroscopie en special imaging. Voor 200 dollar hamertjetikt hij een spectrale camera in elkaar. ‘Die werkt traag, maar is technisch prima’.

Voor kankeronderzoek heb je toestemming nodig van mensen. Die gaan op dat moment door de slechtste tijd van hun leven, vertelt hij, en dan staat er iemand naast hun bed die vraagt, mag ik deze camera in je lijf stoppen? Natuurlijk zeggen die mensen ja. Misschien vergroot je hun overlevingskans. Te vaak hoort hij van een chirurg: we hebben van deze patiënt geen onderzoeksgegevens meer. We moeten dit dossier sluiten. Peller: ‘Ik was mentaal niet sterk genoeg voor dit onderzoek.’

“Unpronounceable village in the Netherlands”

Daar zit hij. Zes jaar geleden. Hij weet wat hij niet wil. Maar wat dan wel? Hij verstuurt vier maanden aaneen elke week acht sollicitaties via LinkedIn, vertelt hij. Bedrijven, instituten of onderzoekscentra die iets met optica willen. Waaronder steeds een brief naar ‘something fun, something to keep myself alive’. Naar organisaties en instituten wereldwijd. Waaronder in Boedapest, Australië, Istanboel, Nieuw-Zeeland, Engeland en een ‘unpronounceable village in the Netherlands’. Daar reageren ze. Ze zoeken iemand die kan helpen bij plantenonderzoek.

Peller kijkt naar zijn vriendin. Ze hebben geen kinderen, noch een hond en huis, en verlangen naar een plek op de wereld waar het minder heet is. Dus Wageningen, ja, waarom niet. Peller: ‘We zeiden: we gaan dit een paar jaar proberen. Mocht het mislukken. Dan was het our grand European adventure’. Bij WUR gaat hij werken bij Gerrit Polder. Die zegt, leuk je te ontmoeten en dat je mijn werk in je PhD hebt genoemd. ‘Ik dacht, oh my god, ik heb de helft daarvan gebaseerd op zijn werk’. Ja, die naam, Polder, G. Maar hij heeft nooit opgezocht wie dat was. ‘Dus daar sta ik, tegenover dé man van spectrale fotografie’.

Joseph Peller in het proefveld met Gerrit Polder

Imaging technologies

Als onderzoeker richt hij zich vooral op imaging technologies. Om dat populair te zeggen. Dat zijn camera’s met een brein. Oude fototechnologie gecombineerd met de allernieuwste computertechnologieën. Zoals AI en machine learning. Peller: ‘Je kijkt naar een foto, en verkrijgt tegelijk allerlei informatie over de dingen die je ziet en vooral ook die je niet direct kunt zien’. Die camera’s worden alsmaar slimmer, omdat de technologie slimmer wordt. Dat is wel leuk, zegt hij. ‘In Amerika werkte ik met een zelf ontworpen spectrale camera van 200 dollar. Nu met super high tech spectrale systemen die zomaar 40.000 euro kosten. Dat is wel een promotie’.

Het eerste jaar richt Peller zich vooral op plantengezondheid. Een ziek mens is heel vergelijkbaar met een zieke plant, zegt hij. Als je huidkanker krijgt, beginnen zieke cellen zich onderhuids te vermenigvuldigen. Dat geeft veranderingen in het omringende weefsel. ‘Collageen houdt je huid gezond, jong en soepel. Dat eiwit verhardt om het zieke deel af te schermen. Dit kun je zien onder een microscoop, als je een huidmonster neemt en dat verpulvert. ‘Oh kijk, hier zit meer collageen dan daar’. Dat verpulveren is met spectrale beeldvorming niet nodig.

Scheikunde zonder microscoop

Peller omschrijft spectrale beeldvorming als scheikunde zonder microscoop. ‘Je maakt een foto en ziet direct hoe het licht wordt geabsorbeerd door dat collageen. Een donkere plek betekent dat daar iets aan de hand is. Omdat die plek is verhard’. Met spectral imaging kun je ook ziektes bij een plant opsporen. Als die ineens vergeelt door een schimmelinfectie. Een schimmel absorbeert op een andere manier het licht; het oogt donkerder. Met je blote oog zie je alleen die gele plek. ‘Ik denk dat ik dankzij mijn kankeronderzoek in Wageningen ben aangenomen’.

Hij werkt aan een project over ieniemienie insecten. Nauwelijks zichtbaar. Je kunt wel volgen hoe ze een plant oppeuzelen. Dat doen ze op bijna dezelfde manier als meeldauw, vertelt Peller. Dat dringt met kleine schimmeldraadjes in cellen om daaruit alle chlorofyl te drinken. ‘Die muggen laten daarbij kleine vlekjes achter op het blad. Als je die hebt getraceerd en ziet hoe die zich over datzelfde blad verspreiden, kun je zeggen, ik denk dat dit deze ziekte of plaag is’. Vissen, planten, mensen: spectrale fotografie kun je op elk levend organisme toepassen, zegt Peller, ja, ook op vis. ‘Dat is niks anders dan een gek gevormde vrucht’.

Segmentatie

Om spectrale beelden te maken en te coderen wat je ziet, moet je goed zijn in segmentatie, vertelt Peller. ‘Je moet weten, dit ronde ding is een munt, dat ronde ding is een knikker’. Mensen kennen de verschillen. Voor een computer zien alle ronde dingen er hetzelfde uit. Ook bladvormen. Lastig als je een foto in een boomgaard of kas maakt, want ja, daar zijn heel veel bladeren. ‘Binnen de geneeskunde heb je dat probleem niet. Daar maak je een foto van weefsel dat uit het lichaam is verwijderd. Het is al geïsoleerd’. Wanneer het gaat om bladeren moet je de robot trainen in het isoleren van bladvormen. ‘Zoals mensen in andere landen robots leren hoe ze meubels, auto’s, gezichten enzovoorts in beelden kunnen herkennen’.

Fenotypering

Spectral imaging vertelt je alles over de scheikundige samenstelling van een plant. Met segmentatie bestudeer je de fysiologie van diezelfde plant zoals de steellengte en bladgrootte. Door dat onderzoek rolt Peller bijna automatisch in de wereld van fenotypering. ‘Bij de traditionele manier van fenotypering zitten onderzoekers met een meetlat tussen planten. Om de onderlinge verschillen tussen bladgroottes en lengtes te meten’, vertelt Peller. Een nogal arbeidsintensieve klus. Sommigen zijn daar echt erg goed in. ‘Door goed naar een tomaat te kijken kunnen ze de waarde van rimpeligheid vaststellen’. Maar voordat je dat trucje beheerst, ja, dan ben je zomaar dertig jaar verder. Hij krijgt dan ook het verzoek: ‘Zijn er geen digitale hulpmiddelen waarmee we ons werk sneller kunnen doen?’

Binnen veredeling gaat het minder om spectrale beeldvorming en meer om imaging technologies. ‘Spectrale beelden hebben doorgaans een lagere resolutie. Voor veredeling gebruiken we meestal zeer gedetailleerde kleurenbeelden en passen we AI en Machine Learning toe om de beelden te segmenteren op basis van veertig eigenschappen waarop je toetst of een plant een ander fenotype heeft. Dat varieert van bloemblad en -kleur, tot bladvorm en stand van de bladeren’.

Nieuwe fenotypen voor klimaatverandering

Bij WUR werken ook phenotypers. Gericht op klimaatverandering. Ze proberen nieuwe genotypen of fenotypen te ontwikkelen die goed presteren in een droge of zoutige bodem. Dat presteren wordt gemeten en vastgelegd in data. Peller: ‘In plaats van te zeggen: de bladeren wijzen bij deze plant naar beneden, kun je met behulp imaging technologies vaststellen, die bladeren wijzen 10 graden naar beneden’. Die gegevens kun je vergelijken met andere veredelaars in Europa. ‘In Europees verband is besloten dat die op dezelfde manier gaan meten’. Om tot dat besluit te komen, moest er flink wat water door de Rijn. Peller met een glimlach: ‘Ik zat in grote kamers met boze Europeanen die tegen elkaar schreeuwden over harmonisatie. Om aan het eind van de dag in te stemmen dat ze een subcommissie gingen vormen’.

Arbeidsproblematiek

Peller helpt phenotypers bij het maken van de foto’s, bij het onderzoek of een blad inderdaad in een hoek van veertig graden naar beneden valt, en bij het vastleggen en meten van al die gegevens. ‘Hoe meet je een blad dat 40 graden hangt zonder de plant zelf aan te raken. En hoe leer je een camera dat het blad op de foto in een hoek van 40 graden hangt?’. Daarbij richt hij steeds meer op het grotere plaatje in de kassen. Met de arbeidsproblematiek, en daar ligt eigenlijk zijn hart, bekent hij. Omdat in de glastuinbouw dingen gebeuren die we met elkaar echt moeten oplossen. ‘Hoe leuk ik plantgezondheid en coderen ook vind’.

Klinkt misschien gek dat hij zich bezighoudt met het optimaliseren van de werkomstandigheden van arbeidsimmigranten in de glastuinbouw. Dat is het niet, onderstreept hij. ‘Voedselproductie gaat niet alleen over wat er groeit en bloeit. Dat begint met veredelaars die een zaadje voor een gewas ontwikkelen en eindigt bij de mensen die dat oogsten, verpakken en verkopen, met alles daar omheen’. En ja, als je toch in de kassen zit, waarom zou je dan niet met de mensen daar praten om te bekijken hoe je met moderne technologie hun werk kunt optimaliseren. Hij luistert naar ze, gaat in gesprek met leiders binnen de glastuinbouwwereld en heeft verschillende manieren ontdekt hoe je technologie kunt inzetten om de arbeidsomstandigheden te verbeteren in de Nederlandse kassen. ‘Die zijn vooral ingericht voor efficiëntie en plantengroei. Zijn ontworpen voor planten, niet voor mensen die daar moeten werken’.

Cobots en icepacks

In de kassen is het loeibenauwd. Vesten met icepacks kunnen dan verkoeling bieden. ‘Of sensoren om je pols die aangeven wanneer je een pauze nodig hebt’. Peller noemt verder exoskeletten of cobots. Hulpmiddelen die mensen ontlasten bij fysiek zware, gevaarlijke of repetitieve taken, en daarmee het werk in de kassen veraantrekkelijken. Cobots zie je al in productiecentra en magazijnen. Vertrouwen is hierin van levensbelang: ‘Je kunt werknemers niet volplakken met sensoren en andere hulpmiddelen, en ze vervolgens in een controlekamer bespioneren. Om te kijken of ze wel hard genoeg werken en niet te veel pauzeren’.

Techniek democratiseert

Oh nee, Peller gelooft niet dat je over tien jaar overal in de kassen robots zult zien. Op het land, in de stal, in een kas of op een boot: je zult altijd mensen nodig hebben. Samen met robots die beter en meer autonoom werken. Dat maakt ze tegelijk flink aan de prijs en ontoegankelijk. Aan de andere kant zie je dat kleine technologie alsmaar betaalbaarder wordt en letterlijk meer in de handen komt van tuinders, telers, vissers en boeren. ‘Op hun telefoon kunnen ze straks zelf dingen onderzoeken. Organismen fotograferen, en hun foto’s doorsturen naar de cloud. Om daarna die gegevens zelf te verwerken in hun eigen data base’. Hoe meer ze dit zelf doen, hoe meer ze hun eigen data beheren en nieuwe dingen kunnen proberen. ‘Dat geeft ons hier de ruimte verder te innoveren en vooruit te denken’.

Wondere WUR-wereld

Peller heeft zich ontwikkeld van iemand die met planten werkt tot iemand die werkt voor mensen die met planten werken. Een logisch pad, vindt hij. ‘Ik begon met het kijken naar zieke planten. Nu bekijk ik het grotere plaatje. Ook om te voorkomen hoe je mensen ziekt maakt die met planten werken’. Zijn werk heeft daardoor vooral een sociale, ecologische en economische kant. Dan helpt een holistische blik. Zonder uitgesproken landbouwachtergrond. Dan kun je makkelijker schakelen, zegt hij. Van vis naar veredelaars, van wijnboeren naar insecten. ‘Elke dag begin ik hier alsof het mijn eerste dag is. Zo blijf ik wondere wereld van WUR ontdekken’.

Onderzoeker