Utopia: Universal Three-dimensiOnal Passport for process Individualization in Agriculture

Een digitaal paspoort van alle voedingsmiddelen, een utopie of haalbaar?

Joost Batenburg en Robert van Liere zijn de trekkers van dit project dat loopt van najaar 2020 tot najaar 2025. We spraken hen halverwege het onderzoek en kregen een uitgebreide uitleg over hun gedeelde toekomstvisie voor de voedingsindustrie; met 1 druk op de knop een volledig inzicht over de historie, herkomst, rijpheid etc. van alle voedingsmiddelen in een digitaal paspoort.

Prof. dr. Joost Batenburg is hoogleraar imaging en visualisation bij LIACS en tevens onderzoeker bij het Centrum Wiskunde en Informatica (CWI). Het Leiden Institute of Advanced Computer Science (LIACS) is een expertisecentrum voor multidisciplinair onderzoek en onderwijs op het gebied van informatica en kunstmatige intelligentie (AI).

Prof. dr. ir. Robert van Liere is tevens werkzaam als onderzoeker bij het CWI en is deeltijd hoogleraar op de TU Eindhoven.

Centrum Wiskunde & Informatica (CWI) is het nationale onderzoeksinstituut voor wiskunde en informatica in Nederland. Het CWI, opgericht in 1946, maakt deel uit van de Institutenorganisatie van NWO, NWO-I. Hoewel gevestigd op Amsterdam Science Park, heeft het instituut sterke internationale banden en genieten ze een wereldwijde reputatie voor hun innovatieve onderzoek.

Partners

Het UTOPIA-projectteam combineert de expertise van CWI op het gebied van 3D-beeldreconstructie en machinaal leren met diepgaande kennis van landbouwproducten (in dit geval m.n. fruit) van de Wageningen Universiteit en van de afdeling diergeneeskunde van de Universiteit van Utrecht (m.n. kip). Daarnaast is Greefa betrokken met ruime ervaring in hoog-volume productiesystemen voor de verwerking van fruit en wordt samengewerkt met Meyn i.r.t. gevogelte. Greefa is marktleider in sorteertechnologie, zij ontwikkelen en produceren sorteer- en verpakkingsoplossingen voor fruit en groente. Meyn Food Processing Technology B.V. is een dochteronderneming van CTB Inc. CTB Inc. is een wereldwijde ontwerper, fabrikant en marketeer van systemen en oplossingen voor het conserveren van graan; het produceren van pluimvee, varkens en eieren; verwerking van pluimvee; en voor diverse hippische en industriële toepassingen. Met Meyn bestaat al een langere succesvolle samenwerking.

Aanpak

De huidige verwerking van voedingsmiddelen is aanleiding voor het onderzoek om dit anders aan te gaan pakken. “We zijn gewend om massa te produceren en op dezelfde manier te behandelen maar daardoor is het in de eerste plaats lastig om grip te krijgen op de kwaliteit van ieder individueel product. Doordat alle producten vervolgens op dezelfde manier worden behandeld is er tevens veel verlies tijdens het verwerkingsproces en dus verspilling van voedingsmiddelen.
Tenslotte is er weinig zicht op de ‘interne toestand’ van voedingsmiddelen (denk aan rijpheid van fruit), deze informatie zou je eigenlijk willen hebben voor elk product an sich.”

Het UTOPIA-project zal daarom een krachtige aanpak ontwikkelen voor in-line 3D röntgenscanning van landbouwproducten, die het mogelijk zal maken een individueel digitaal paspoort van elk product te creëren met kenmerken met betrekking tot veiligheid, kwaliteit en morfologie die zijn afgeleid van de 3D interne representatie van het product.

Afbeelding: De Utopia transportband: ieder product wordt gescand en geanalyseerd en daarvan wordt vervolgens een digitaal paspoort gemaakt. Het paspoort wordt gebruikt voor het maken de juiste keuzes en individuele acties.

3D

Stap 1, een 3D CT-scan maken uit heel veel richtingen door het product rond te draaien op een speciaal ontwikkelde carrousel. Hiermee wordt de data verzameld voor het snel uitrekenen van de 3D-beelden. “Je wil de binnenkant kunnen zien, wij hebben veel expertise op het gebied van röntgen en kunnen dus van ieder product een geïndividualiseerde CT-scan maken.”

Digital passport

Stap 2, de database, die bijhoudt wat er gemeten is plus de beelden die daaruit komen. Elk product heeft zijn eigen dataset over wat er bekend is over dit product.

Real-time analysis though machine learning

Stap 3, hier wordt gekeken naar output uit laboratoriumexperimenten over wat er mis kan zijn aan deze producten en wordt een algoritme geleerd om dit te detecteren uit data die van de lopende band komt. Op dit moment ligt de focus op appels en kip, de partners in het project hebben toegang tot samples van deze producten (ook met defecten) en brengen deze in om gescand te worden.

Decision support

Stap 4, hier komt alle kennis van de verschillende partners bij elkaar. “Voor het eerst worden er CT-scans van deze voedingsmiddelen geïnterpreteerd, daar is een echte knowledge-gap.” Samen met de kennis van de CT-scans en met input zoals van appeldeskundige dr. Rachael Wood (Postdoc op de Wageningen Universiteit) bouwen we vervolgens kennis op over wat er met het product aan de hand is.

Overtuigen door plaatjes

De onderzoeksgroep heeft al veel bijgeleerd de afgelopen twee jaar, zeker ook door de ontwikkeling van een industriële CT-scan in 2016 waarin van alles - in het klein - uitgeprobeerd kan worden. Met elkaar ontwikkelen ze hiermee concrete demonstratoren om deze slimme technologieën in de echte high-volume omgeving te brengen.

Uitdagingen

De enorme hoeveelheid aan producten is de grootste uitdaging om in de toekomst alle producten te kunnen voorzien van een digitaal paspoort. Robert licht toe: “er gaan per uur 6000 kippen door een kippenslachterij en tonnen fruit door een fabriek per dag, het is dan ook onmogelijk om echt elk product op deze wijze te scannen. We onderzoeken dan ook wat wel haalbaar is.”

Robert vult aan dat de betrouwbaarheid 100% moet zijn, het ideaalplaatje is dan ook echt niet altijd haalbaar. “De voedselketen is een hele ingewikkelde keten, daar moet je continue rekening mee houden.”

Joost vertelt dat de onderzoeksgroep ook tegen andere limieten aanloopt zoals bijvoorbeeld de maximale duur van een scan. “Niet het mooist mogelijke plaatje is het doel maar vooral de haalbaarheid is hierin leading. Je krijgt dan wellicht geen perfect beeld maar wel voldoende passend voor dit doel.”

Toekomst

“Voorlopig is dit alles nu nog een utopisch beeld, we zijn er nog lang niet en het is een enorme - maar noodzakelijke - stap voor de gehele productie-industrie. Iedereen uit de voedselketen wil hier graag naar toe,” geven Joost en Robert aan.
Deze aanpak zal de weg vrijmaken voor een volledig geïndividualiseerde kwaliteitsborging en -verwerking van landbouwproducten, waardoor de lat voor voedselveiligheid en afvalvermindering hoger komt te liggen door vroegtijdige detectie van aandoeningen en ziekten, en de waarde wordt verhoogd door geïndividualiseerde verwerkingsprocessen.