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Dynamically Controlled Environment Agriculture: Integrating Machine Learning and Mechanistic and Physiological Models for Sustainable Food Cultivation

农业 计算机科学 生产力 心理弹性 风险分析(工程) 弹性(材料科学) 持续性 机器学习 生态学 业务 生物 心理学 物理 热力学 宏观经济学 经济 心理治疗师
作者
Abigail R. Cohen,Gerry Chen,Eli Matthew Berger,Sushmita Warrier,Guanghui Lan,Emily Grubert,Frank Dellaert,Yongsheng Chen
出处
期刊:ACS ES&T engineering [American Chemical Society]
卷期号:2 (1): 3-19 被引量:34
标识
DOI:10.1021/acsestengg.1c00269
摘要

Inefficiencies and imprecise input control in agriculture have caused devastating consequences to ecosystems. Urban controlled environment agriculture (CEA) is a proposed approach to mitigate the impacts of cultivation, but precise control of inputs (i.e., nutrient, water, etc.) is limited by the ability to monitor dynamic conditions. Current mechanistic and physiological plant growth models (MPMs) have not yet been unified and have uncovered knowledge gaps of the complex interplay among control variables. Moreover, because of their specificity, MPMs are of limited utility when extended to additional plant species or environmental conditions. Simultaneously, although machine learning (ML) can uncover latent interactions across conditions, phenotyping bottlenecks have hindered successful application. To bridge these gaps, we propose an integrative approach whereby MPMs are used to construct the foundations of ML algorithms, reducing data requirements and costs, and ML is used to elucidate parameters and causal inference in MPM. This review highlights research about control and automation in CEA, synthesizing literature into a framework whereby ML, MPM, and biofeedback inform what we call dynamically controlled environment agriculture (DCEA). We highlight synergistic characteristics of MPM and ML to illustrate that a DCEA framework could contribute to urban resilience, human health, and optimized productivity and nutritional content.

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