明年春天，一支由美国康奈尔大学开发的PhytoPatholoBots(PPB)机器人小军团将被部署到美国各地的四个葡萄育种项目中，执行指导全球葡萄和葡萄酒行业进入21世纪的任务。

这些自主机器人将在葡萄园中滚动，利用计算机视觉来收集每个葡萄树的生理状态数据。通过将这些数据与十年来的葡萄育种突破相结合，康奈尔大学的研究人员正在完善PPB，使育种者和种植者能够实时评估他们的葡萄园--逐叶评估，直至化学水平。

应用机器人专家 Yu Jiang(左)是综合植物科学学院园艺系助理教授和康奈尔农业科技大学葡萄病理学联合首席研究员兼助理教授 Katie Gold 与 PhytoPatholobot。

PPB的推广是在康奈尔大学一个新的四年期项目的第一年进行的，该项目由美国国家食品和农业研究所特种作物研究计划(NIFA-SCRI)提供1000万美元的全国性资助，并由明尼苏达大学领导。这笔拨款扩展了NIFA-SCRI之前资助的VitisGen1和2项目，这是一项长达十年的合作，康奈尔大学领导的全国科学家团队发现了许多控制葡萄树重要性状的基因，如抗病性、抗虫性以及水果和葡萄酒质量。有了这些宝贵的新基因资源，全国各地的葡萄育种者已经能够在创纪录的时间内用结合高质量和高抗病性的新品种储备他们的管道。

康奈尔大学的新项目侧重于通过结合植物病理学、计算机视觉、人工智能和机器人技术将VitisGen的遗传和技术创新引入葡萄园。这项工作对于鼓励种植者开始广泛种植由VitisGen提供的新的抗病葡萄品种至关重要。今天种植的几乎所有葡萄品种都对白粉病和霜霉病高度敏感--在过去的140年里，全世界的种植者都使用多种化学杀菌剂来管理这些疾病。

康奈尔农业技术公司USDA-ARS葡萄遗传学研究部门的联合项目主任和研究植物病理学家Lance Cadle-Davidson说："仅采用这些新品种就有可能减少90%的农药使用。现在，育种者已经将自然抗病性引入即将商业化的品种中，种植者需要最新的指导。"

为了全面发展这一指导，Cadle-Davidson已经聘请了康奈尔农业科技大学葡萄病理学联合首席研究员兼助理教授Katie Gold和综合植物科学学院园艺科助理教授Yu Jiang担任应用机器人专家。该团队还包括VitisGen的长期领导者Bruce Reisch，综合植物科学学院园艺科的植物育种和遗传学教授，以及合作者Qi Sun，伊萨卡的康奈尔生物信息学设施的联合主任。

擅长使用成像光谱学进行疾病检测的Gold将进行田间试验，为VitisGen的新品种设计低投入的疾病管理方案。光谱学测量物质如何与光和其他电磁辐射相互作用，不同类型的物质产生不同的光谱特征。传统的相机测量可见光(RGB)光谱内的光谱特征。但是成像光谱学--最初由美国宇航局开创，用于研究太阳系--产生的数据涵盖的电磁辐射范围比人眼能看到的大七倍。

PPB在VitisGen2期间形成，在此之前，Jiang帮助Cadle-Davidson通过开发基于人工智能的模型来检测和量化葡萄上的白粉病和霜霉病，从而加快了在实验室中评估数千棵树苗的过程。Jiang用这些模型来驱动Cadle-Davidson的自动表型RGB显微镜机器人，名为BlackBird。有了BlackBird，Cadle-Davidson的实验室看到他们可以评估的秧苗数量增加了60倍，并发现人工智能也比人类更准确地量化疾病。

在这个项目中，Jiang正在用成像光谱仪(也称为高光谱传感器)扩大PPB的范围，将VitisGen实验室的那些调查扩展到葡萄园，使育种者能够在自然环境中对葡萄进行表型。Gold还将使用新配备的高光谱PPB，或称HyperPPB，在化学层面上 "观察 "植物。她将在田间应用这些数据，在可见症状出现之前检测疾病，并在实验室中开始描述抗病性背后的机制--抗病性最终由植物的基因构成和环境之间的复杂相互作用决定。

Gold说："叶子的大部分真实变化是在我们看不到的波长中捕获的，这些波长主要与化学和生理学相对应。高光谱在检测和区分抗病性和感染动态的多面性、不那么简单的方面方面真正显示了它的能力。“

Jiang希望将PPB机器人家族商业化，这样种植者就可以在比以往更大的范围内监测疾病以及他们葡萄园中葡萄树发展的许多其他方面。他说，这项合作是跨学科研究如何加速下一代农业食品系统设计过程的一个典型例子。

“我们正在帮助育种者瞄准根本性的改进，同时使他们能够更迅速地对变化做出反应，无论是否预测到。”Jiang说。

其中许多不可预测的变化将由气候变化引起，戈尔德说，这只会增加纽约州的病虫害压力，纽约州的病虫害压力已经高于美国其他主要葡萄种植区。为了使该州150亿美元的产业继续蓬勃发展，种植者将不得不采用新的抗病品种和精确管理方法。

Cadle-Davidson说：“在VitisGen的过程中，超过65名共同研究者在技术的最前沿一起工作。但是我曾经认为的前沿技术与凯蒂和于晓明带来的东西相比，根本不值一提。我们现在能够完成的事情将是如此令人兴奋，强大，可能是革命性的。”