3D-друкований буряк: новий інструмент для фенотипування рослин

Технології в сільськогосподарській галузі постійно розвиваються. В останні роки впровадження таких інструментів, як дрони, аграрні роботи, сканери, сівалки точного висіву та штучний інтелект, значно зросло. Ці інновації в першу чергу підвищили врожайність сільськогосподарських культур і сприяли інтелектуальним методам управління. Крім того, 3D-друк приніс значні переваги, зокрема у швидкому виготовленні сільськогосподарських інструментів. Потенційне застосування цієї технології є широким, як продемонструвало недавнє дослідження, у якому була розроблена 3D-друкована модель буряка для покращення фенотипу рослин.

У співпраці з Боннським університетом вчені з Інституту дослідження цукрових буряків розробили 3D-модель рослини, щоб підвищити точність і надійність фенотипування. Фенотипування в сільському господарстві передбачає спостереження та аналіз рослин, щоб передбачити їх статус у певному середовищі. Цей процес, який відображає взаємодію між генетичною інформацією рослини та її навколишнім середовищем, має вирішальне значення для визначення рослин із найкращими властивостями, таким чином оптимізуючи насадження.

Раніше фенотипування покладалося на ручні вимірювання, які були виснажливими та інвазивними для сільськогосподарських культур. Однак поява різноманітних технологій автоматизувала цей процес. Зараз у фенотипуванні широко використовуються сенсори, спектральні камери та штучний інтелект. Тепер ці інструменти будуть об’єднані з 3D-моделлю цукрових буряків, що слугуватиме прикладом для подальшого підвищення врожайності та ефективності та її так само можна використовувати у полі.

Довідкові дані для моделі були взяті з реального заводу цукрових буряків в тепличних умовах. За допомогою сканера LiDAR (Light Detection and Ranging) 3D-дані були отримані з 12 кутів для створення точної хмари точок. Потім ці дані були використані для створення 3D-файлу, надрукованого на FDM-принтері. Хоча на цьому етапі дослідження є певна простота, переваги 3D-моделі є значними.

По-перше, покращаться прогнози врожаю. Щоб отримати повну інформацію про стан культури, сільськогосподарській промисловості потрібні датчики, які оцифровують такі дані, як розмір листя, якість плодів, кут нахилу листя, форма тощо. Після отримання цих даних використовується спеціальне програмне забезпечення для отримання повної інформації. Таким чином, фермери можуть втрутитися в потрібний момент. Однак, щоб зробити такі прогнози, системи повинні посилатися на те, що було б «зразковим» заводом, і саме тут вступає в гру 3D-друкована модель.

Дійсно, фізична модель заводу допомагає зробити результати більш точними, ніж за допомогою простих цифрових даних, як це було раніше. Йонас Бьомер, провідний автор дослідження, пояснює: «У сфері тривимірного фенотипування рослин посилання на використовувані сенсорні системи, комп’ютерні алгоритми та фіксовані морфологічні параметри є складним, але принципово важливим завданням. Застосування технологій адитивного виробництва для створення відтворюваних еталонних моделей представляє новинку для розробки стандартизованих методологій для об’єктивних і точних посилань, що приносить користь науковим дослідженням і практичній селекції рослин». Використовувати «штучну рослину» в натуральну величину як еталон краще, ніж покладатися виключно на комп’ютерні дані чи плоскі двовимірні зображення. Фактична модель може служити еталоном і внутрішнім контролем в теплиці або тестовому полі серед реальних рослин.

Нарешті, принцип цього дослідження не обмежується цукровими буряками. Поєднання штучного інтелекту, сенсорної технології та 3D-друку можна застосувати до будь-якої рослини для кращого моніторингу посівів. Вчені відзначили, що все дослідження є відкритим, і запрошують інші лабораторії та зацікавлені сторони для впровадження різних моделей, таких як 3D-друк цукрових буряків.