innovation logo

המחשב שמזהה מחלות צמחים

הפיתוח של מאגד פנומיקס

איך לוקחים ידע ומומחיות שנצברו בידי אנשי מקצוע במשך אלפי שנים ומלמדים את המחשב להפוך למומחה וירטואלי על בסיס אפיון תכונות של צמחים? כדי לגלות את התשובה הוקם מאגד פנומיקס – שבו עובדים יחד מומחים מתעשיית החקלאות והטכנולוגיה לצד אנשי אקדמיה במודל שיתופי

 

לכאורה, שיתוף הפעולה שבא לידי ביטוי במאגד פנומיקס ייראה קשה במיוחד לביצוע. אחרי הכל, מה הטעם לחבר יחדיו אנשים מחברות טכנולוגיה וביטחון, מחברות חקלאות וממוסדות אקדמיים? ואיזו שפה משותפת כבר ימצאו אנשי ההיי-טק עם אנשי האדמה, שלא לדבר על אנשי האקדמיה?

אבל שנה וכמה חודשים אחרי שיצא לדרך, במאגד פנומיקס  אף אחד כבר לא מפקפק בחזון המשותף. 

כדי להבין את התמונה המלאה, ניקח רגע צעד אחורה ונערוך היכרות מקרוב עם התחום שלכבודו התכנסו כאן כולם: חקלאות מדייקת. מדובר בגישה לניהול חקלאי שמבוססת על תצפית ומדידה מדעית מדויקת של צמחים בתנאי הגידול החקלאיים, ובהתאם לה – תגובה מדויקת לטיפול המותאם למצבם. 

שרון אלוני, ראש מינהל מערכות חישה בחטיבת התקשוב והסייבר של אלביט מערכות, מסביר מדוע הנושא של חקלאות מדייקת נמצא עכשיו בנקודה קריטית: "יש כיום משבר מזון עולמי – והוא רק יילך ויחמיר עם הזמן. לכן יש משמעות גדולה לכל הנושא של שיפור היכולות של הפקת התוצרת החקלאית. ממשלות וארגונים רוחביים, כולל האו"ם, מתייחסים לדברים האלה בתשומת לב. 

"מדינת ישראל", ממשיך אלוני, "יכולה לשלב בתחום הזה הרבה מהיכולות שלנו ואת הידע העצום שיש לנו בתחומים של חקלאות וחישה - דברים שאנחנו כמדינה ידועים בהם ברחבי העולם. כל אלה באים לידי ביטוי במאגד פנומיקס".  

כיום צוואר הבקבוק בשיפור הצמחים ובמחקר בשיפור מזון בעולם הוא נושא הפנוטייפינג – היכולת לבצע זיהוי ועיבוד באופן ממוחשב של מידע לגבי התכונות המורפולוגיות והפיזיולוגיות של הצמחים. 

ד"ר חגי קרחי מחברת אבוג'ן וממייסדיה, יו"ר מאגד פנומיקס, מסביר: "הרמה והיכולת למדוד כיום תכונות של צמחים (פנוטיפ) נמצאות היום ברמה שבה היתה הרפואה במאה ה-19. עדיין מדובר במקצוע שמועבר ממומחה למומחה כאוּמנות - ולא כמדע מדויק. מטפחי צמחים לומדים להסתכל על הצמחים ולהבין מה מצבם ואיך אפשר לשפר אותו.

"גם בתחומים אחרים בחקלאות המודרנית היום אפיון צמחים נעשה בדרך כלל על ידי אדם מומחה לנושא ולא על ידי מכונה. הסיבה העיקרית היא שצריך מיומנות וניסיון רב כדי להכיר את הצמחים ואת המצבים השונים שלהם. פיטופתולוגים, למשל, שהם מומחים למחלות צמחים, צריכים להכיר לעומק את מגוון המחלות השונות שפוגעות בכל מין ומין כדי לדעת לזהות את התסמינים הרלוונטיים על הצמחים. וכמו רופאים, לא מספיק רק לקבוע אם הצמח חולה או לא, אלא לדעת לזהות את המחלה עצמה ואת השלב והעוצמה שלה.

"מכיוון שזה אפיון שמצריך מומחה אנושי וקשה לעשות אותו בהיקפים גדולים, נוצר כיום בחקלאות העולמית פער מאוד גדול בין מה שרוצים לעשות, מבחינת היקפים ודיוק – לבין מה שאפשרי מבחינת רמת היכולת. זה המקום שסביבו מאגד פנומיקס מתאגד: סביב היכולת לבצע את האפיון הזה באופן ממוחשב באמצעות חיישנים, תמונות וכו'.

"הרעיון להקמת המאגד, בעזרת רשות החדשנות, עלה מכיוון שבעולם מתחוללת מהפכה בתחום הניתוח הממוחשב של תמונות - ובמקביל אמצעי החישה הולכים ונעשים קטנים וזולים. חשבנו שאם נחבר את תחום החישה המתקדם עם טכנולוגיות מִחשוביות לעיבוד וניתוח תמונות, נוכל למדוד באופן מדויק תכונות מורפולוגיות ופיזיולוגיות של צמחים בתנאי הגידול החקלאיים שלהם, ולמעשה נפתח מומחה-על וירטואלי לאפיון הפנוטיפי הצמחי. 

"לטכנולוגיה עתידית כזאת יהיו אינספור יישומים. אחד מהם, למשל, יהיה זיהוי מוקדם מאוד של מחלות בשלב שעוד לא רואים אותן בעין, לפני התסמינים. זיהוי כזה יאפשר טיפול מהיר במוקד המחלה באופן שימנע צורך בריסוס של שטחים נרחבים בחומר לא בריא כפי שנעשה כיום. כלומר, גם תהליך יותר בריא לסביבה ולבני האדם וגם חיסכון בכסף לחקלאים. דוגמה נוספת: אפשר יהיה לומר במדויק לאנשי המטעים מתי הפירות על העצים יהיו בשלים ולייצר אופטימיזציה לקטיף". 

"חדשנות פורצת במלוא עוזה דווקא בחיבור בין טכנולוגיות מתחומים שונים. תכנית מאגדי מגנ"ט מנסה לחבר בין טכנולוגיות שונות בהן ישראל מובילה", אומר ד"ר אביב זאבי מנהל זירת תשתיות טכנולוגיות ברשות החדשנות. "בפנומיקס חיברנו בין תעשיית החיישנים ומפתחי הידע החקלאי ובין יכולות מתקדמות בניתוח נתונים, כדי ליצור אימפקט כלכלי שיכול לתמוך בכל אחת מהתעשיות ביחד או בנפרד". 

 

שפה משותפת במקום מגדל בבל

ד"ר צור גרנביץ, ממייסדי פנומיקס ומי שמשמש כיום כמנהל הטכנולוגי של המאגד, מספר על הקמתו: "אין כיום פתרון לטכנולוגיה של פנוטייפינג, בתנאי הגידול החקלאיים, וכאן זיהינו צורך מסחרי-טכנולוגי אדיר. עוד לפני הקמת המאגד התמקדנו בחידוד הצרכים והטכנולוגיות של החברות השונות. כשמאגדים חברות שלכל אחת יש אינטרס משלה, חייבים ליצור מבנה של win-win בתהליך הפיתוח. זה גם הבסיס לשיתוף פעולה בין הצוותים מהאקדמיה והתעשייה - ובין צוותי האקדמיה לבין עצמם וצוותי התעשייה לבין עצמה. מגיע קרדיט רב לרשות החדשנות, שסייעה לנו בתהליך החידוד הזה.

"במאגד פנומיקס יצרנו את המודל הזה בצורה מדהימה. גם בגלל שהאינטרסים המסחריים של החברות מהתחום הביטחוני והחקלאי לא מנוגדים, וגם מכיוון שכל חברה חקלאית עובדת בסגמנט אחר ואין תחרות וגם בטכנולוגיות. כך כל אחד נתרם מהפיתוח מבלי לייצר קונפליקט עם החברות המקבילות.

"המבנה הניהולי שעיצבנו במאגד מבוסס על שבע 'חבילות עבודה' נפרדות שכל אחת מהן מפתחת מרכיב קריטי במערכת ועוסקת באיסוף המידע, ניתוח שלו וניהולו. בכל צוות יש אנשים מחברות וקבוצות אקדמיות שונות ומנהל שמרכז את הפעילות. הקשר בין חבילות העבודה נעשה באמצעות מנהלי החבילות והם מקדמים יחד את הדברים ברמה הניהולית והטכנולוגית כקהילה. 

ד"ר קרחי מוסיף: "כל שבעת הצוותים עובדים יחד למען מטרה אחת: פיתוח טכנולוגיה שבאמצעותה נוכל לזהות בצורה מאוד טובה מצבים של צמחים וממנה לפתח יישומים שחשובים לחקלאים בכל העולם.

"אחד האתגרים היה ללמד את החברים מאלביט, מאופגל והאחרים מה זה צמח ואז את חוקרי הלמידה העמוקה אילו תכונות רוצים למדוד, מה חשוב ומה פחות חשוב. תהליך יצירת השפה בין אנשים מתחומים מאוד שונים היה אתגר מאוד גדול. במקום מגדל בבל יצרנו שפה משותפת בין פיזיקאים ומהנדסים, אנשי מחשבים מהאקדמיה ואנשי צמחים. 

"קשה להסביר למישהו מבחוץ איזה הבדל תהומי קיים בין אנשי התעשייה לבין אנשי האקדמיה. אנחנו בתעשייה רוצים לייצר תשתית למוצר או את המוצר עצמו – ואילו באקדמיה רוצים לייצר מאמר. הנושא של שפה ותרבות חוצץ לא אחת בין אנשים שבאים מהתחום היישומי עם גישה פרקטית ומוגבלת בזמן, לבין אנשים שהזמן הוא לא הקריטריון החשוב עבורם ושהמטרה שלהם היא לייצר ידע. 

ד"ר דניאל קוסטר, מנהל צוות של טכנולוגיות מחברת הזרע ומוביל ומרכז תחום האנליזה במאגד, מתייחס גם הוא להרכב האנושי המיוחד של פנומיקס: "זה נושא מאוד מעניין גם כי התחומים שלנו מאוד שונים: פרופסורים במדעי המחשב, אגרונומים, פיזיקאים מתחום האופטיקה ועובדים בתעשייה הביטחונית. אין ספק שזה מאגד מאוד הטרוגני. זה מאתגר, אבל עם רצון טוב זה עובד מצוין. למרות שבמאגד כולם באים מחברות שונות ותרבות שונה, כבר יש איזושהי אווירה של ביחד, ויש לזה חלק מאוד גדול בהצלחה".

 

כשהמצלמה עוברת מהטנק אל השדה

ד"ר איליה לייזרסון, דירקטור חדשנות בחטיבת התקשוב והסייבר של אלביט מערכות, מסביר על מעורבות החברה במאגד שנראה רחוק מהתחומים הרגילים בהם היא עוסקת: "הנושא של חקלאות מדייקת חשוב לאלביט מכמה היבטים: קודם כל לשם הרחבת מגוון היכולות של החברה גם לתחום האזרחי. הפעילות במאגד מחברת בין היכולות המפותחות בחטיבת התקשוב והסייבר באלביט מערכות לבין עולם החקלאות. אנחנו מפתחים במהלכה מערכות פשוטות ונוחות לתפעול שצריכות לעבוד בתנאי שטח מורכבים ולתת מענה 365 יום בשנה. אנו מביאים לידי ביטוי את היכולות הטכנולוגיות החדשניות שפיתחנו במהלך השנים לזיהוי תכונות צמחים  באמצעים שבעבר כלל לא חשבו עליהם. הטכנולוגיות החדשות מתפרסות על אמצעי חישה וזיהוי מרחוק, שיטות אופטיות שונות ומתקדמות ויכולות אלגוריתמיות מתקדמות ביותר. 

"פיתחנו לטובת המאגד מערכת מכוילת המודדת מגוון תכונות של צמחים, בה כל החיישנים מסתכלים על אותה סדרה. המערכת הראשונה שפיתחנו היתה ידנית ועכשיו אנחנו כבר עובדים על הדור השלישי בשאיפה להגיע למערכת שפועלת על פלטפורמה אוטונומית - תחילה יבשתית ובהמשך אווירית. כשהמטרה בסופו של דבר היא ספיקת שטח גדולה בלי להתפשר על רזולוציות ודיוקים.  

"השאיפה היא שהמערכת תחליף תהליכים ידניים ואיטיים הדורשים מיומנות גבוהה מצד מומחים, ותאפשר תהליך אוטומטי מבוקר וממוכן שיסייע לחקלאי לקבל החלטות הרבה יותר מדויקות, איכותיות וחסכוניות לגבי הטיפול בצמחים". 

ד"ר קרחי מוסיף: "למצלמות יש עיניים כמו לאנשים, אבל הן רואות תחומי ספקטרום נוספים שהאדם לא רואה. מתברר שהנושא של 'עיניים ביוניות' חיוני לחקלאות כי סימפטומים של מחלות ועקות למשל, נראים קודם כל בתחומי גל שהעין האנושית לא רואה". 

השלב הבא הוא שמכונות למידה עמוקה (deep learning) ילמדו את עצמן איך לקרוא ולנתח תמונות של צמחים. בשביל שזה יקרה יש צורך במאגר מאוד גדול של תמונות של חלקי צמח כפי שהם נראים בשדה ולא במעבדה. "יש לנו כיום חוליות של צלמים בשלוש החברות החקלאיות - במטעים, בשדות ובחממות - וכולן נאספות במאגר מידע אחד באוניברסיטת בן גוריון עם פורמט קטלוג מדויק שלכל המשתתפים יש נגישות אליו", אומר ד"ר קרחי.

ד"ר קוסטר מוסיף: "רק למומחי האגרו יש את המיומנות לשפוט את התכונות של הצמח והם מביאים את היכולות שלהם למאגד. מה שאנחנו מקבלים אלה תמונות מהשטח עם הניתוחים של המומחים – וכאן נכנסים לנושא של פענוח תמונות של הלמידה העמוקה. מדובר בתחום חדש יחסית שעולה בחמש השנים האחרונות כמו מטאור ומשפיע על הרבה תחומים: רכבים אוטונומיים, רפואה ועוד.

"אנחנו אימצנו את הלמידה העמוקה לתחום החקלאות: אנחנו מראים למחשב הרבה מאוד תמונות של צמחים ביחד עם הפירוש שלהן שנעשה כרגע על ידי מומחה אנושי – כדי שבשלב הבא המחשב יידע לפענח אותן לבד.

"באנליזה יש מעורבות של הרבה גורמים שונים בנטל העבודה. הצוות באנליזה כולל חוקרים מאוניברסיטת בן-גוריון, מאוניברסיטת חיפה, מהטכניון ומהאוניברסיטה העברית. יחד עם צוותי פיתוח בחברות האג-טק, אנחנו מחפשים דרכים חדשות להתמודד עם האתגרים בפענוח תכונות הצמחים מתוך מידע-רב ערוצי: ערוץ RGB, ערוץ עומק, ערוצים מולטי-ספקטראליים וערוץ תרמי.

"המטרה היא להוציא מהדאטה ערכים כמותיים של פנוטיפים של צמחים כמו נוכחות וירוס, גודל או דרגת הבשלה של פרי, נוכחות עקה א-ביוטית וכו'. חלק גדול מהאתגר הוא שלעומת תמונות שנלקחו בתנאים מבוקרים במעבדה, תמונות שנלקחו משטחים חקלאים רלוונטיים קשות לפענוח בשל התנאים המשתנים לאורך היום, רוחות שמזיזות את הצמחים, הסתרות והצללות של איברי הצמח ומנחים לא אידיאליים לצילום של הצמחים. במציאות הצמחים פשוט לא מסתדרים יפה מול המצלמה כמו במעבדה וזה מקשה על האלגוריתמיקה", מסכם ד"ר קוסטר.

 

תהליך ספירלי ודינמי

על העבודה יחד מספר ד"ר קוסטר: "המטרה של חברת הזרע במאגד היא לתרום לו כחברה - ולהיתרם ממנו. לעבוד על זה יחד בתוך מאגד אחד זאת זכות גדולה ולא טריוויאלית. אנחנו מפיקים הרבה מאוד תועלת גם מהניסיון הרב של המשתתפים, גם משיתופי הפעולה וגם מההבנה לעומק של התחום הזה באקדמיה. סיימנו כבר שנה ראשונה, ובינתיים הכל עובד מצוין".

ד"ר אורנה ליבנה, מנהלת חדשנות וקניין רוחני בחברת הזרע וחברת הנהלה במאגד פנומיקס: "יש פה פיתוח שאפשר למנף בהמשך ליוזמות חדשות מחוץ לפעילות של כל חברה - הקמת סטארט-אפים, למשל. מעבר לזה, אנחנו משתמשים בתוצרי המאגד לשימושים שלנו בפיתוח המוצרים שלנו - שיהיה הרבה יותר מהיר, מדויק ומכוון למטרה".

ד"ר לייזרסון מוסיף: "מדובר אמנם במאגד שיתקיים במשך שלוש שנים, אבל יש חשיבות גם לפוטנציאל העסקי העתידי. אנחנו שואפים להגיע לתוצרים, ועל כן עובדים בתהליך אג'לי - מפתחים משהו ומייד בודקים אותו בעולם החקלאי, על מנת להתקדם מהר יותר ועם התאמה טובה לחברות האגרו. המערכות הידניות שפיתחנו כבר מאפשרות לחקלאים לאסוף מידע. השלב הבא הוא פלטפורמה על כלי נושא סנסורים שיבצע איסוף מידע בתנועה בספיקה גדולה".

ד"ר גרנביץ מסכם: "במאגד זה התלות בין השותפים גבוהה מאוד והפידבק מיידי. התהליך הספירלי והדינמי יצר קשר מאוד ייחודי והדוק בין חברי המאגד. באין קונפליקט מסחרי שיתוף הפעולה מרשים ביותר. הקמנו פלטפורמה חישובית שקופה שפתוחה לכל החברים במאגד וכולם עובדים היטב יחד. אפילו שמעתי מאנשים בעלי ניסיון רב שרמת שיתוף הפעולה בין החברות במאגד גבוהה בהרבה ממה שהם רואים בתוך החברות שלהם! 

"תהליך הפיתוח בפנומיקס לא פחות ממדהים – אחרי מעט משנה כבר יש מערכות סנסוריות מתקדמות ומרשימות שמיוצרות על ידי התעשייה הביטחונית ומשתלבות בפלטפורמות חישוביות תומכות וחכמות עם חשיבה חקלאית. יש כבר עניין גדול מאוד במאגד של חברות חיצוניות בארץ ובעולם שרוצות לשתף פעולה בסגמנטים של חקלאות, וגם של שגרירויות ומדינות ששמעו ופונות אלינו בבקשה לשמוע על המיזם״.