AI豚顔認識？養豚業界のブラックテクノロジーを大公開！

著者: 中国科学院物理研究所ニューメディアセンター

査読者: 羅慧謙、中国科学院物理研究所研究員

「養豚場」という言葉を聞いたときの最初の反応は何ですか?

郊外の人里離れた場所に、柵で囲まれたエリアがあり、その中でたくさんの子豚が飼われています。ブリーダーが大きなバスケットを持ってやって来て、スプーンを手に取り、木製の餌箱に餌をまきます。すると子豚たちはうなり声をあげて前に進み、鼻を突き出してお互いの餌を奪い合うのでしょうか?

私たちの伝統的な概念では、養豚とはこのようなもので、汚くて乱雑な環境から、豚舎の掃除や餌やりの労働まで、すべてが昔の息吹に包まれ、古い写真のように色あせた色に覆われているようです。

しかし、すでに多くの豚がスマートビルに住んでおり、顔をスキャンして食事をしたり、毎日音楽マッサージを楽しんだりできるとしたらどうでしょうか?

そうじゃない？予想外でした！

実際、人工知能やモノのインターネットの活発な発展により、国内の養豚業界は大きな変化を遂げています。子豚の成長環境を改善することに加えて、養豚場では次のような一連のブラックテクノロジーも試してきました。

AI豚顔認識？

無線式自動給餌器？

ナノ合成豚飼料…？

次に、インテリジェント養豚場を詳しく見て、これらのテクノロジーがいかに「ブラック」であるかを見てみましょう。

01 AI豚顔認識

同じ品種の子豚はどれも非常によく似ていることに気づいたことがあるでしょうか。子豚の成長状況を判断するには、子豚1頭1頭の体重、食事摂取量などのデータを追跡し、記録する必要があります。しかし、飼育者の肉眼だけで数百、数千頭の豚を区別することはほぼ不可能です。そのため、それぞれの豚を識別する必要があります。

これまでの養豚工程では、マーキングは豚の耳に行うのが一般的でしたが、この方法ではすべてのデータを手作業で記録する必要があり、非常に非効率的で、間違いが発生しやすいものでした。

この従来のジレンマを解決するために、私たちは人間の顔認識の関連技術を豚の顔認識に移行することを考えました。しかし、先ほど述べたように、豚の近親交配により個体が非常に似通ったものとなり、コンピューター ビジョン アルゴリズムの技術的障壁が目に見えない形で高まります。したがって、豚の顔認識技術は夢のようです。

驚くべきことに、近年、ディープラーニング技術の発展により、豚の顔認識アルゴリズムはついに質的な飛躍を遂げ、一部の大規模農場では豚の顔認識システムの導入も始まって​​います。

それで、とても魔法のように聞こえるこの豚の顔認識システムは、実際にどのように機能するのでしょうか?

まず、今日のインテリジェント養豚場では、豚ごとに動的なクラウド データベースを作成し、豚のビデオを 2 ～ 3 本撮影し、アルゴリズムを通じて有効な ID 情報を抽出し、対応する電子 ID を生成してデータベースに保存します。

つまり、これらの子豚にも独自の ID 番号があるということです。すごいですね！

子豚のIDカードが処理された後、豚小屋の上に追跡ロボットを設置する必要があります。ロボットは、一定の間隔でトラックに沿って巡回し、先端のカメラで豚の顔をスキャンして収集し、その信号をデジタル信号に変換し、畳み込みニューラルネットワークアルゴリズムを使用して豚の顔の重要な特徴を抽出します。次に、ロボットは事前に保存された豚の顔情報を照合し、最も適合度の高いデータセットを選択して、最終的な電子 ID を決定します。こうすることで、どの子豚であるかを識別することができます。

子豚を識別した後、さまざまなセンサーを使用して子豚の体重、体温、食物摂取量などの情報を記録し、自動的にクラウドにアップロードします。いくつかの重要な値は中央制御パネルに表示されるため、非接触でのリアルタイム監視が実現します。

2018年8月、我が国で初めてアフリカ豚コレラが発生し、その影響は拡大し続けました。何億頭もの子豚が感染し、死亡した。多くの養豚場が破産の危機に瀕していた。さらに心配なのは、ワクチンがまだ開発中であり、アフリカ豚コレラがまだ完全に解決されていないことだ。

この重大な瞬間に、いくつかの大規模養豚場は大胆な試みを行い、豚の顔認識技術を導入しました。体温や食物摂取量などのパラメータの閾値を手動で設定した後、システムは体温異常や食欲不振の子豚を自動的に識別し、中央制御盤が自動的に警報を鳴らしました。職員は赤い警告を見た後、できるだけ早く「黄色コード」のマークが付いた子豚を隔離して検査し、本当にペストに感染しているかどうかを判断することができました。

そのため、豚肉の価格はある程度、徐々に正常に戻りつつあり、豚の顔認識もこれに貢献している。

02 ワイヤレスRF

豚の顔認識技術一式の導入には技術的なハードルが高いため、多額の資本投資が必要となり、養豚場ではまだ大規模には使用されていません。しかし、次に導入される無線周波数技術は比較的成熟していると言えます。以前に聞いたことがあるかもしれません。結局のところ、21 世紀初頭には、物流管理、交通監視などの分野で広く使用されていました。しかし、養豚に関しては、まだ比較的新しいものです。

一般的に、最も基本的な無線周波数識別 (RFID) システムには、主に無線周波数カードとリーダー/ライターの 2 つの部分が含まれます。無線周波数カードには識別情報やデータを保存するチップが含まれており、アンテナはチップの外部に接続されています。リーダー／ライターは、送受信アンテナ、送受信モジュール、制御回路を備えており、指定されたエリア内に電磁波を放射することができます。無線カードがそのエリアを通過すると、リーダー/ライターから発せられる電磁波を受信して​​誘導電流を発生させ、記憶されているコード化された情報を電波の形でリーダー/ライターに送信します。リーダー/ライターは受信した信号を復調・デコードし、中央管理サーバーに送信します。

この無線周波数技術をベースに、大手養豚場ではさまざまな自動化機器の導入が始まっています。自動豚給餌装置を例に、それがどのように機能するかを見てみましょう。

まず、子豚一匹ずつの耳に穴を開け、電子耳タグを挿入する必要があります。この電子耳タグが、前述の「無線周波数カード」です。そして、子豚が餌を必要とするとき、子豚は給餌囲いの入り口から入り、自動給餌装置のところまで来ます。装置が子豚の接近を感知すると、装置上部のカードリーダーが自動的に子豚の電子耳タグを読み取り、子豚の識別情報を抽出して中央管理者にフィードバックします。システムは豚の身体データ記録に基づいて、自動給餌装置に指示を出し、子豚に特定の種類と量の飼料を与えます。子豚が食べ終わって位置決め囲いの出口から出ると、システムは自動的に餌箱に残っている重量を識別し、子豚の餌の摂取量を計算し、記録をアップロードします。

注意深く比較すると、これは豚の顔認識に似ていることがわかります。重要な点は、子豚の身元を識別し、関連データを記録する方法を見つけることです。唯一の違いは、無線周波数技術の投資コストがはるかに小さいことです。しかし、電子耳タグは豚の耳に埋め込む必要があるため、子豚に不快感を与える可能性があります。

犬がいつも角にこすりつけたり、着せた小さな服を脱いだりするのと同じように、子豚がラベルを擦り切れたり噛み切ったりすることは珍しくなく、ひどい場合には局所的な耳の感染症を引き起こす可能性があります。

子豚に電子タグを埋め込む方法には、上記のような欠点がいくつか残っていますが、豚の飼料加工の過程で無線周波数技術を使用する場合、そのような懸念はまったくありません。

つまり、豚が食べる飼料さえも、無線周波数技術を使って完全に自動化された方法で生産されるようになったのです。従来の飼料加工工場では、通常、複数の従業員が組立ラインで各原材料を登録して計量し、その後、比率に応じて加工・合成のために機器に投入する必要があります。これは時間と労力がかかるだけでなく、投入量を正確に把握することも困難です。重大な操作ミスは粉塵爆発などの危険につながる可能性があります。

（豚飼料加工におけるRFID応用の概略図）

現在では、無線周波数技術を使用して、各原材料を電子無線周波数カードと照合し、リーダーを給餌サイロに設置することができます。原料が供給サイロに入ると、原料情報が自動的に読み取られ、計量スケールが割り当てられます。原材料は配合要件に従って混合・加工され、最終的に自動的に包装・ラベル付けされ、その結果がデータベースにアップロードされます。各原材料には独自の電子 ID があり、各ステップにはデータ記録があるため、最終的にフィードに問題が発生した場合、処理記録を照会してソースを追跡し、インテリジェントなリスク管理を実装できます。

03 ナノ合成

飼料加工について触れたので、現在の「ナノグレード豚飼料」についてお話しなければなりません。そうです、豚の飼料は、以前のような黄色い粉状のざらざらした粒子ではなくなりました。多くの飼料添加物、特にビタミンにはナノ合成技術が取り入れられており、その粒子径は数百ナノメートルに達することもあります。

子豚は健康に成長するためにさまざまなビタミンを必要とするため、ビタミンは豚の飼料配合に欠かせない添加物です。しかし、一般的なビタミンは空気中で酸化・加水分解されやすく、最終的に母豚に吸収されて利用される率は非常に低いです。実験的研究により、ナノスケールの液体ビタミンは吸収されやすく、雌豚の繁殖能力を大幅に向上させ、豚肉の品質を向上させることができることが示されています。

このナノスケールの液体ビタミンの加工では、主にナノテクノロジーとマイクロエマルジョン技術が活用されます。同時に、リン脂質、コレステロール、タンパク質からなる生体模倣膜を使用して、ビタミンを生体膜の奥深くに瞬時に埋め込み、粒子サイズが30〜100ナノメートルの自己組織化構造を形成します。ナノスケールのビタミンは優れた生物学的親和性により膜を介して素早く吸収され、利用率が向上します。

現在の豚の飼料に含まれるビタミンが本当にナノスケールに達しているかどうかを検証するために、編集者は飼料メーカーに連絡し、ナノ製剤と通常の乳剤の2つのビタミンサンプルを入手しました。理論的には、両者の違いは主に次のようになります。

チンダル効果とは、400～700nmの波長の可視光が直径約1～100nmのコロイドを通過すると、コロイド内の浮遊粒子によって光線が散乱され、光があらゆる方向に伝播することを指します。すると、入射光に対して垂直な方向からコロイド内に明るい「経路」が観察されます。簡単に言えば、コロイド内での光の散乱により、光の経路が「見える」ようになります。

この原理に基づいて、まずティンダル効果を使って簡単に検証します。実験比較の結果は次のとおりです。

（チンダル効果実験の比較）

左の乳白色のものは普通のビタミン乳剤、右の淡黄色のものはナノサイズのビタミン水溶液です。波長650nmの赤色レーザーペンを使用してこれら2つのサンプルを照射すると、ナノスケールの液体ビタミンには明らかな完全な光路が現れ、通常のエマルジョンにも光路が現れますが、光路は短く不明瞭で、光透過率は比較的悪いです。その理由は、粒子サイズが大きいため光がより妨げられ、光路が非常に短くなるからです。

このことから、ナノスケールの液体ビタミンの粒子サイズは数百ナノメートル程度であると暫定的に判断できます。より正確な判断を行うために、サンプルに対して特別なサンプル調製を行い、走査型電子顕微鏡で粒子の形態を観察しました。得られたSEMスキャン画像は次のとおりです。

左の写真は、比較的小さい倍率を使用して、広い視野でサンプルの形態を観察しています。単位スケールは0.5μmです。赤枠で囲まれた粒子の直径は500ナノメートル以下であることがわかります。直径をより正確に測定するために、この領域を拡大して正しい画像を取得します。単位スケールは0.2μmです。この粒子の直径は約半分のスケール、つまり約100ナノメートルです。

これは、いわゆる「ナノグレード豚飼料」がまさにその名にふさわしいものであり、単なる販売戦略ではないことを示しています。

さて、養豚に対する皆さんの印象は大きく異なると思います！

こうして、老人がかがみ込んでブドウの木の下でしわしわになったトウモロコシの粒を拾い、それを家の残り物と混ぜてバケツに入れ、よろよろと豚小屋に向かって歩いていく光景は、必然的に私たちからどんどん遠ざかり、やがて時代特有の刻印を刻まれた黄ばんだ古い写真の中に固定されていくことになるだろう。

古い時代の終わりにため息をつくかもしれないし、新しい時代の到来を待ち望むかもしれない。

このような技術の発展に対する私たちの感情がいかに複雑であるかを説明するのは難しいですが、おそらくこれが人生の本質なのでしょう。

将来の養豚場がどのようなものになるか想像してみましょう。子豚を乗せた小型飛行機が空を飛ぶかも？

参考文献:

[1] 秦星、宋芳芳。双線形畳み込みニューラルネットワークに基づく豚の顔認識アルゴリズム[J]。杭州典子大学誌（自然科学版）、2019年、39(02):12-17。

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[4] 孫海霞、薛如。 RFIDシステムの構成と動作原理[J]。チベット科学技術、2005年、(09):59-60。

この記事は、中国科学普及-星空プロジェクト（創造と栽培）によって作成されました。転載の際は出典を明記してください。