ثورة في تجفيف الأغذية باستخدام الذكاء الاصطناعي والمستشعرات البصرية

تتناول دراسة جامعة إلينوي ثلاث تقنيات ناشئة يمكن أن تُحدث تحولاً في صناعة الأغذية (أدوبي)
تتناول دراسة جامعة إلينوي ثلاث تقنيات ناشئة يمكن أن تُحدث تحولاً في صناعة الأغذية (أدوبي)
TT

ثورة في تجفيف الأغذية باستخدام الذكاء الاصطناعي والمستشعرات البصرية

تتناول دراسة جامعة إلينوي ثلاث تقنيات ناشئة يمكن أن تُحدث تحولاً في صناعة الأغذية (أدوبي)
تتناول دراسة جامعة إلينوي ثلاث تقنيات ناشئة يمكن أن تُحدث تحولاً في صناعة الأغذية (أدوبي)

يُعد تجفيف الأغذية عملية أساسية تُستخدم للحفاظ على مجموعة متنوّعة من المنتجات من الفواكه إلى اللحوم. ومع ذلك، غالباً ما تؤدي الطرق التقليدية للتجفيف إلى التأثير سلباً في جودة الغذاء وقيمته الغذائية. يقدّم باحثون من جامعة «إلينوي في أوربانا - شامبين» تقنيات دقيقة متطورة تستفيد من المستشعرات البصرية والذكاء الاصطناعي لتحسين كفاءة ودقة تجفيف الأغذية.

التجفيف الذكي

تتطلّب أنظمة التجفيف التقليدية إزالة العينات بشكل متكرر لمراقبة تقدّم العملية؛ مما يجعلها مستهلكة للوقت وغير فعّالة في كثير من الأحيان. على النقيض من ذلك، يسمح التجفيف الدقيق، أو ما يُعرف بالتجفيف الذكي، بالمراقبة المستمرة في الوقت الفعلي؛ مما يُحسّن الدقة والكفاءة.

يوضح الأستاذ المساعد في قسم الهندسة الزراعية والبيولوجية بجامعة إلينوي الأميركية، محمد كامروزمان، أنه مع التجفيف الذكي يمكن تحسين العملية بأكملها من خلال مراقبتها باستمرار في الوقت الفعلي.

حلّل كامروزمان وفريقه الأبحاث الحالية حول تقنيات التجفيف الدقيقة وتطبيقاتها في صناعة الأغذية. ركزت الدراسة على ثلاثة أنظمة استشعار بصرية، وهي: التصوير بالألوان الثلاثية (RGB) مع الرؤية الحاسوبية، والتحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR)، والتصوير الطيفي بالأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR - HSI)، وتوصلت النتائج إلى أن لكل طريقة مزاياها وتحدياتها؛ مما يوفر خيارات مرنة للصناعة لتحسين عمليات التجفيف.

مع التطورات المستمرة قد يصبح التجفيف الدقيق هو المعيار مما يضمن حفظاً أفضل وتقليل الهدر عبر سلسلة إمداد الأغذية (أدوبي)

فهم التكنولوجيا

- التصوير بالألوان الثلاثية (RGB) مع الرؤية الحاسوبية

يستخدم التصوير بالألوان الثلاثية كاميرات قياسية تلتقط الضوء المرئي في نطاق الألوان الأحمر والأخضر والأزرق. يبرز هذا النظام في تحليل الميزات السطحية مثل اللون والحجم والشكل، ولكنه لا يمكنه قياس الخصائص الداخلية مثل محتوى الرطوبة.

- التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR)

يستخدم التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء القريبة الضوء لقياس الخصائص الداخلية، بما في ذلك مستويات الرطوبة. من خلال قياس امتصاص الضوء عند أطوال موجية مختلفة، يوفّر النظام رؤى قيمة حول الخصائص الكيميائية والفيزيائية للغذاء. ومع ذلك، فإن قدرة المسح النقطي لهذا النظام قد تكون محدودة عندما تصبح المادة غير متجانسة في أثناء التجفيف.

- التصوير الطيفي بالأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR - HSI)

يجمع «NIR - HSI» بين أفضل ميزات الأنظمة الأخرى؛ حيث يمسح السطح بالكامل، ويستخرج بيانات مكانية وطيفية ثلاثية الأبعاد. يوفّر هذا النظام معلومات دقيقة للغاية حول معدلات التجفيف وخصائص المنتج. ومع ذلك، فإن التكلفة العالية لهذا النظام -أكثر بعشر إلى عشرين مرة من «NIR» ومائة مرة من «RGB»- تشكّل تحدياً كبيراً، بالإضافة إلى متطلبات الصيانة والحوسبة العالية.

الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي: المحركات الأساسية

تتطلّب جميع التقنيات الثلاث استخدام الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي لمعالجة الكميات الكبيرة من البيانات التي تنتجها. يجب تصميم النماذج لتناسب التطبيقات المحددة، خصوصاً في حالة «NIR - HSI» الذي يجمع مجموعات بيانات ضخمة. من خلال دمج هذه التقنيات، تمكّن الباحثون من التغلب على قيود طرق التجفيف التقليدية؛ مما يوفّر قدرات مراقبة في الوقت الفعلي لم تكن ممكنة من قبل.

يضيف كامروزمان أن الدمج بين التصوير بالألوان الثلاثية والاستشعار الطيفي بالأشعة تحت الحمراء القريبة والتصوير الطيفي مع الذكاء الاصطناعي يمثّل مستقبلاً ثورياً لتجفيف الأغذية.

تسلّط هذه الدراسة الضوء على الإمكانات التحويلية لهذه الابتكارات ودورها في تشكيل مستقبل هندسة الأغذية (أدوبي)

اختبار التكنولوجيا

طوّر فريق البحث نظام تجفيف خاصاً به لاختبار هذه التقنيات. باستخدام فرن حراري، جفّف الفريق شرائح التفاح، وبدأ بالتجربة باستخدام «RGB» و«NIR» ثم دمجوا نظام «NIR - HSI» لاحقاً. أظهرت النتائج الإمكانات الهائلة لدمج هذه الأنظمة البصرية مع الذكاء الاصطناعي لإحداث تحول في عمليات تجفيف الأغذية.

نظرة مستقبلية

أحد أبرز التطلّعات هو تطوير أجهزة «NIR - HSI» محمولة. يمكن لهذه الأدوات تمكين المراقبة المستمرة في بيئات متعددة، مما يوفّر تحكماً في الجودة في الوقت الفعلي ويوسّع تطبيقات التجفيف الدقيق.

مدعومة بمؤسسة «NSF» ومركز الأبحاث المتقدمة في التجفيف «CARD»، تمهّد هذه الدراسة الطريق لحلول مبتكرة في حفظ الأغذية. مع تبني هذه التقنيات، يمكن للصناعات توقع تحسينات كبيرة في الكفاءة والجودة والاستدامة. يمثّل دمج المستشعرات البصرية والذكاء الاصطناعي في تجفيف الأغذية قفزة نوعية للصناعة. من خلال توفير رؤى في الوقت الفعلي والتغلّب على قيود الطرق التقليدية، تعد هذه التقنيات بتحسين مراقبة الجودة وتبسيط العمليات.


مقالات ذات صلة

تكنولوجيا خدمة أتمتة متقدمة تتيح إنشاء سير عمل مرن يدمج أكثر من 400 تطبيق مما يسهل تنفيذ المهام تلقائياً دون تدخل يدوي (n8n)

كيف تتيح منصة «n8n» ربط التطبيقات وأتمتة الأعمال دون تدخل يدوي متكرر؟

توفر المنصة بيئة منخفضة التعليمات البرمجية ومفتوحة المصدر، مما يسمح للمستخدمين بتشغيلها على خوادمهم الخاصة.

عبد العزيز الرشيد (الرياض)
خاص التقارب بين الذكاء الاصطناعي والحوسبة الكمومية يمكن أن يسرع الاكتشافات في مجالات مثل الأدوية والمناخ (أدوبي)

خاص كيف يغير تقارب الذكاء الاصطناعي والحوسبة الكمومية وجه الاكتشافات العلمية؟

الحوسبة الكمومية والذكاء الاصطناعي يجتمعان لقيادة الابتكار العلمي، مع تقدم سريع في التطبيقات التجارية، من اكتشاف الأدوية إلى الأمن السيبراني.

نسيم رمضان (سياتل)
علوم تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد حققت قفزات متوالية في مجال جراحة العظام (جامعة برنو للتكنولوجيا)

ثورة في جراحة العظام: كيف تحسّن «الغرسات المطبوعة» زراعة المفاصل؟

مع التطور السريع في تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد، شهد قطاع الرعاية الصحية تحولاً جذرياً في تصنيع الغرسات الطبية، لا سيما في جراحة العظام واستبدال المفاصل.

محمد السيد علي (القاهرة)
علوم جين يفتح آفاقاً جديدة لعلاج الشيخوخة

جين يفتح آفاقاً جديدة لعلاج الشيخوخة

كشفت أبحاث حديثة عن اكتشاف جيني قد يمهد الطريق لعلاجات ثورية لإدارة الشيخوخة والحد من الأمراض المرتبطة بالتقدم في العمر.

د. وفا جاسم الرجب (لندن)

التلسكوب جيمس ويب يرصد مجرة في لحظة محورية من عمر الكون المبكر

هكذا رصد التليسكوب جيمس ويب المجرة المسماة (جيدز-جي.إس-زد13-1) على الحال التي كانت عليها بعد حوالي 330 مليون سنة من الانفجار العظيم (رويترز)
هكذا رصد التليسكوب جيمس ويب المجرة المسماة (جيدز-جي.إس-زد13-1) على الحال التي كانت عليها بعد حوالي 330 مليون سنة من الانفجار العظيم (رويترز)
TT

التلسكوب جيمس ويب يرصد مجرة في لحظة محورية من عمر الكون المبكر

هكذا رصد التليسكوب جيمس ويب المجرة المسماة (جيدز-جي.إس-زد13-1) على الحال التي كانت عليها بعد حوالي 330 مليون سنة من الانفجار العظيم (رويترز)
هكذا رصد التليسكوب جيمس ويب المجرة المسماة (جيدز-جي.إس-زد13-1) على الحال التي كانت عليها بعد حوالي 330 مليون سنة من الانفجار العظيم (رويترز)

اكتشف علماء باستخدام التلسكوب جيمس ويب الفضائي مجرة عتيقة وبعيدة تقدم دليلا على حدوث فترة انتقالية مهمة أخرجت الكون المبكر من «عصوره المظلمة» في وقت أسبق عما كان يُعتقد.

وقال الباحثون إن التلسكوب، الذي يعود بالزمن عبر النظر في مسافات كونية شاسعة، رصد المجرة المسماة (جيدز-جي.إس-زد13-1) على الحال التي كانت عليها بعد حوالي 330 مليون سنة من الانفجار العظيم الذي وقع قبل حوالي 13.8 مليار سنة. وعلى سبيل المقارنة، يبلغ عمر الأرض نحو 4.5 مليار سنة.

ويُعتقد أن الكون شهد تمددا ونموا سريعين في جزء من الثانية بعد الانفجار العظيم. وبعد أن برد بدرجة كافية، حدثت فترة تُسمى عصور الظلام الكوني عندما كان الكون الوليد مغلفا بضباب كثيف من غاز الهيدروجين في حالة محايدة كهربائيا. وتلت ذلك فترة تُعرف بعصر إعادة التأين عندما بدأ الكون في البريق. وحصل التلسكوب ويب على أدلة على أن المجرة (جيدز-جي.إس-زد13-1)، إحدى أقدم المجرات المعروفة، انتقلت إلى هذا العصر.

وقال يوريس ويتستوك عالم الفيزياء الفلكية من مركز فجر الكون بجامعة كوبنهاجن ومعهد نيلز بور «في (جيدز-جي.إس-زد13-1)، أكد التلسكوب ويب وجود إحدى أبعد المجرات المعروفة حتى الآن». وويتستوك أحد المعدين الرئيسيين للدراسة المنشورة في دورية (نيتشر) العلمية. وأضاف ويتستوك «على عكس أي مجرة بعيدة أخرى مشابهة، تُظهر هذه المجرة بصمة واضحة للغاية تشير إلى احتوائها على مصدر قوي للغاية للأشعة فوق البنفسجية عالية الطاقة، وأنها بدأت عملية إعادة التأين في وقت مبكر غير متوقع».

سؤال بلا إجابة

يُطلق على الفترة التي تشكلت فيها النجوم والثقوب السوداء والمجرات الأولى في الكون اسم فجر الكون. وخلال تشكلها، غيّرت الأشعة فوق البنفسجية المنبعثة منها كيمياء غاز الهيدروجين المتعادل في عملية تُسمى إعادة التأين، ما سمح للأشعة فوق البنفسجية بالتسرب، ما أدى فعليا إلى «إضاءة» الكون.

وقال كيفن هينلاين عالم الفيزياء الفلكية في مرصد ستيوارد بجامعة أريزونا «كان الكون، بعد الانفجار العظيم، خليطا من الهيدروجين والهيليوم والمادة المظلمة التي تبرد تدريجيا. وفي النهاية، أصبح الكون معتما تماما للأشعة فوق البنفسجية عالية الطاقة. كان الهيدروجين يطفو في حالة محايدة، أي إن كل ذرة هيدروجين صغيرة كانت مرتبطة بإلكترون». وهينلاين معد مشارك للدراسة.

وأضاف هينلاين «لكن مع بدء تشكل النجوم والمجرات الأولى من غاز الكون المبكر هذا، بدأت الأشعة فوق البنفسجية المنبعثة من النجوم الحديثة والثقوب السوداء الهائلة المتنامية بفصل الإلكترونات عن ذرات الهيدروجين المتعادلة. وعلى مدى مئات الملايين من السنين، تحول الكون من معتم إلى ضوء شفاف ثم إلى ضوء يحمل أشعة فوق بنفسجية، وهو ما نحن عليه الآن».

وقال الباحثون إن الضوء الذي اكتشفه التلسكوب ويب في هذه المجرة ربما يكون مصدره تشكل النجوم بقوة في نواة المجرة، أو وجود ثقب أسود فائق الكتلة ينمو في قلب المجرة ويلتهم المواد المحيطة، أو مزيجا من هذين العاملين. ويبلغ عرض هذه المجرة حوالي 230 سنة ضوئية، أي أصغر بمئات المرات من مجرة درب التبانة. والسنة الضوئية هي المسافة التي يقطعها الضوء في سنة واحدة، أي 9.5 تريليون كيلومتر.

وبدأ التلسكوب ويب، الذي أطلقته ناسا في 2022 وبدأ تشغيله في 2023، في إتاحة فهم أعمق للكون المبكر. ولم يرصد التلسكوب سوى أربع مجرات يعود تاريخها إلى ما قبل هذه المجرة بقليل، بما في ذلك المجرة التي تحمل الرقم القياسي الحالي، والتي رُصدت بعد 294 مليون سنة من الانفجار العظيم. ولم تُظهر هذه المجرات أي دليل على إعادة التأين.

وذُهل الباحثون عندما اكتشفوا أن المجرة (جيدز-جي.إس-زد13-1) أظهرت مثل هذا الدليل، في صورة فقاعة كبيرة من الهيدروجين المؤين المحيطة بها، لأنه كان من المعتقد أن إعادة التأين بدأت بعد ملايين السنين.

وقال ويتستوك «أثبتت العديد من القياسات المستقلة أن إعادة التأين لم تكتمل إلا بعد أن بلغ عمر الكون حوالي مليار سنة، أي بعد 700 مليون سنة من عمر هذه المجرة، مما يضع هذه المجرة على الأرجح في بداية عصر إعادة التأين. ويُعد التوقيت الدقيق لبداية ذلك العصر أحد أهم الأسئلة التي لم تُجب بعد في علم الكونيات».