농업은 전 세계 연간 물 사용량의 70 % 이상을 소비한다고 한다. 특히 개발도상국에서 식품의 거의 80%를 생산하는 소규모 농장에서는 수자원의 품질과 안전성을 보장하는 것이 무엇보다도 중요하다. 그러나 농업에 대한 환경 분석은 농장에서는 외부기관에 의뢰하거나 멀리서 수행되는 값 비싸고 시간 소모적인 실험실 테스트에 의존하지만 그나마도 몇몇에 불과한 것이 현실이다.

최근 IBM리서치에서 인공지능(AI)으로 토양 또는 물 시료의 화학분석을 실시간으로 수행하는 연구 결과를 유튜브에 업로드한 영상이 있어 소개해 본다. IBM리서치 연구팀은 테스트 과정을 아주 단순화하고 아주 작은 규모의 농장 또는 농부가 토양과 물의 건강 상태를 모니터링 할 수 있는 방법을 찾았다. 현재는 프로토 타입으로 물 또는 토양 샘플을 명함 크기의 종이로 제작된 ‘아르로패드(AgroPad)’에 떨어트리거나 올려놓으면 카드 내부의 미세 유체 칩은 샘플을 화학 분석하여 10 초 이내에 결과를 제공하는 것이다.

카드 뒷면에 있는 세트는 비색 테스트 결과를 제공하며, 각 원의 색은 샘플의 특정 화학 물질의 양을 나타낸다. 농부는 스마트폰을 사용하여 전용 모바일 애플리케이션을 사용하여 아그로패드의 단일 스냅 샷을 찍으면 앱은 10초 이내로 화학 분석해 결과를 즉시 받게 되는 것이다.

이 "AI on the edge" 컴퓨팅 접근 방식은 머신러닝 및 머신 비전 알고리즘을 사용하여 측정된 색상 구성 및 강도를 샘플의 화학 물질 농도로 변환하여 테스트 데이터를 클라우드 컴퓨팅 플랫폼에 동시에 스트리밍하고 화학 분석의 시간, 위치 및 결과를 고유하게 식별하는 디지털 태그로 라벨을 지정할 수 있으며, 클라우드 플랫폼을 사용하면 다양한 시간과 장소에서 수행되는 수백만 가지 개별 테스트를 관리하고 통합할 수 있다. 이는 일년 내내 특정 지역의 비료 사용 집중도를 모니터링 하는 데 중요한 기능으로 적용할 수 있다.

현재 연구팀은 수소이온농도(pH), 이산화질소(Nitrogen dioxide), 알루미늄(AI), 마그네슘(MG) 및 염소(cl)를 측정하는 토양 및 수질 테스트가 가능한 프로토 타입 솔루션을 보유하고 있다. 또 연구팀은 테스트 라이브러리를 지속적으로 확장하고 있으며, 각 아그로패드는 개인 사용자의 필요에 따라 개인화 될 수 있다.(아래는 IBM리서치가 포로토타입으로 개발된 아그로패드로 인공지능 기술을 적용해 농민들이 토양과 물을 상태를 간편하게 점검 할 수 있다)

이처럼 종이 기반(아그로패드) 테스트는 리트머스 시험지(litmus paper) 처럼 비전문가도 쉽고 편리하고 간단하게 수행할 수 있기 때문에 화학적 센싱에 대한 즉각적인 디지털화를 통한 공개 데이터 수집이 현실적으로 가능해 진 것으로 저비용으로 종이 기반 장치의 대량 생산 및 모바일 및 클라우드 기술을 통한 대규모 배치로 디지털 농업 및 환경 테스트에 혁신을 일으킬 수 있을 것으로 전망된다.