3D-печатная свекла: новый инструмент для фенотипирования растений

Технологии сельскохозяйственной отрасли постоянно развиваются. В последние годы внедрение таких инструментов, как дроны, аграрные работы, сканеры, сеялки точного высева и искусственный интеллект значительно возросло. Эти инновации в первую очередь повысили урожайность сельскохозяйственных культур и способствовали интеллектуальным методам управления. Кроме того, 3D-печать принесла значительные преимущества, в частности в быстром изготовлении сельскохозяйственных инструментов. Потенциальное применение этой технологии широко, как продемонстрировало недавнее исследование, в котором была разработана 3D-печатная модель свеклы для улучшения фенотипа растений.

В сотрудничестве с Боннским университетом ученые из Института исследования сахарной свеклы разработали 3D-модель растения, чтобы повысить точность и надежность фенотипирования. Фенотипирование в сельском хозяйстве подразумевает наблюдение и анализ растений, чтобы предусмотреть их статус в определенной среде. Этот процесс, отражающий взаимодействие между генетической информацией растения и его окружающей средой, имеет решающее значение для определения растений с наилучшими свойствами, таким образом оптимизируя насаждения.

Раньше фенотипирование возлагалось на ручные измерения, которые были изнурительными и инвазивными для сельскохозяйственных культур. Однако появление различных технологий автоматизировало этот процесс. Сейчас в фенотиповке широко используются сенсоры, спектральные камеры и искусственный интеллект. Теперь эти инструменты будут объединены с 3D-моделью сахарной свеклы, что будет служить примером для дальнейшего повышения урожайности и эффективности и ее можно использовать в поле.

Справочные данные для модели взяты с реального завода сахарной свеклы в тепличных условиях. С помощью сканера LiDAR (Light Detection and Ranging) 3D-данные были получены из 12 углов для создания точного облака точек. Затем эти данные были использованы для создания файла 3D, напечатанного на FDM-принтере. Хотя на этом этапе исследования есть определенная простота, преимущества 3D-модели значительны.

Во-первых, улучшатся прогнозы урожая. Чтобы получить полную информацию о состоянии культуры, сельскохозяйственной промышленности нужны датчики, оцифровывающие такие данные, как размер листьев, качество плодов, угол наклона листьев, форма и т.д. После получения данных используется специальное программное обеспечение для получения полной информации. Таким образом, фермеры могут вмешаться в нужный момент. Однако чтобы сделать такие прогнозы, системы должны ссылаться на то, что было бы «примерным» заводом, и именно здесь вступает в игру 3D-печатная модель.

Действительно, физическая модель завода помогает сделать результаты более точными, чем с помощью простых цифровых данных, как это было раньше. Йонас Бемер, ведущий автор исследования, объясняет: «В сфере трехмерного фенотипирования растений ссылка на используемые сенсорные системы, компьютерные алгоритмы и фиксированные морфологические параметры является сложной, но принципиально важной задачей. Применение технологий аддитивного производства для создания воспроизводимых эталонных моделей представляет новинку для разработки стандартизированных методологий для объективных и точных ссылок, что приносит пользу научным исследованиям и практической селекции растений». Использовать «искусственное растение» в натуральную величину в качестве эталона лучше, чем полагаться исключительно на компьютерные данные или плоские двумерные изображения. Фактическая модель может служить эталоном и внутренним контролем в теплице или в тестовом поле среди реальных растений.

Наконец, принцип этого исследования не ограничивается сахарной свеклой. Сочетание искусственного интеллекта, сенсорной технологии и 3D-печати можно применить к любому растению для лучшего мониторинга посевов. Ученые отметили, что все исследования открыты, и приглашают другие лаборатории и заинтересованные стороны для внедрения различных моделей, таких как 3D-печать сахарной свеклы.