מודל ייחוס מודפס בתלת מימד עבור סלק סוכר כלול בניסויים בשטח. קרדיט: המכון לחקר סלק סוכר, גטינגן
מדענים משתמשים בסריקת לייזר כדי ליצור מודלים תלת-ממדיים של חלקים מעל פני הקרקע של צמח סלק הסוכר משדה יבול, מה שמספק צעד קדימה בפיתוח שיפור צינור גידולים בעזרת AI.
הדגמה כיצד ניתן להשתמש בטכנולוגיות חדשות בגידול יבולים של המאה ה-21 מגיעה ממחקר חדש שפורסם המשלב סריקת לייזר והדפסה תלת מימדית ליצירת מודל תלת מימד מפורט של צמח סלק סוכר. לוקחים את הצעד הבא מעבר למידע גנטי שינחה גידול אינטליגנטי, דגמי הצמחים התלת-ממדיים כאן לוכדים את המאפיינים החיוניים של החלקים העל-קרקעיים של צמח סלק הסוכר וניתן להשתמש בהם עבור צינורות לשיפור יבולים בסיוע בינה מלאכותית. דגמי צמחי סלק הסוכר ניתנים לשחזור ומתאימים לשימוש בשטח. כל המידע המחקרי, הנתונים, המתודולוגיה, כמו גם קבצי ההדפסה בתלת מימד זמינים באופן חופשי. ניהול היבול צובר כלים נחוצים, וכמובן, כל אחד יכול כעת להדפיס את צמח סלק הסוכר שלו בתלת מימד! (נדרש תחזוקה מינימלית.)
שיפור גידולים באמצעות קרני לייזר והדפסת תלת מימד
גידול צמחים מודרני הוא מפעל ממוקד נתונים, הכולל למידת מכונה אלגוריתמים וטכנולוגיית הדמיה מתוחכמת לבחירת תכונות רצויות. "פנוטיפ הצמחים" – המדע של איסוף מידע מדויק ומדידות על צמחים – ראה שיפורים מסיביים במהלך השנים האחרונות.
בעבר, פנוטייפ הסתמך על מדידות שנלקחו בצורה מייגעת על ידי בני אדם. כיום, צינורות פנוטייפ הופכים לאוטומטיים יותר ויותר, תוך שימוש בטכנולוגיית חיישנים מתקדמת, לעתים קרובות בסיוע בינה מלאכותית. המדידות הנלקחות יכולות לכלול גודל, איכות פרי, צורת וגודל העלים ופרמטרי צמיחה אחרים. בנוסף לרווחי היעילות של מסירת עבודת המדידה לצינורות אוטומטיים, חיישנים בעזרת מחשב יכולים לעתים קרובות ללכוד מידע מורכב על מפעל שיהיה קשה מאוד לבני אדם לאסוף בקנה מידה גדול.
חשיבותו של חומר ייחוס מדויק
היבט מכריע אחד בעולם החדש, מונע החיישנים, של גידול יבולים הוא הזמינות של חומר עזר מדויק.
צריך להציג לחיישנים נתונים על "צמח סטנדרטי" המקיפים את כל המאפיינים הרלוונטיים, כולל גם תכונות תלת מימדיות מורכבות יותר כמו הזווית שבה מכוונים העלים. לכן יש להקפיד על "צמח מלאכותי" ממשי כהתייחסות בגודל אמיתי על פני נתונים בלבד במחשב, או ייצוג דו-ממדי שטוח. מודל ממשי יכול, למשל, להיכלל גם כהתייחסות ובקרה פנימית בתוך חממה או שדה בדיקה בין הצמחים האמיתיים.
מודל מודפס תלת מימדי למחקר
הדגם החדש בהדפסה תלת-ממדית של מפעל סלק סוכר נוצר מתוך מחשבה על יישומים אלו ויש לו יתרון נוסף שקובצי ההדפסה זמינים להורדה בחינם ולשימוש חוזר. זה מאפשר למדענים אחרים (ולכל חובב סלק סוכר, באמת) ליצור מחדש עותק מדויק של סלק הסוכר הייחוס, מה שהופך את המחקר שנעשה על ידי מעבדות שונות באזורים שונים של העולם להשוואה יותר. הסבירות של הדפסת תלת מימד פירושה גם שניתן להתאים את הגישה במסגרות דלות במשאבים, למשל במדינות מתפתחות.
איסוף נתונים עם LIDAR
כדי לאסוף את הנתונים המדויקים עבור המודל הריאליסטי שלהם, המחברים – ג'ונאס בומר ועמיתיו מהמכון לחקר סלק סוכר (גטינגן) ומאוניברסיטת בון – השתמשו בטכנולוגיית LIDAR (זיהוי אור וריחוק).
בקיצור, צמח סלק סוכר אמיתי נסרק בלייזר כדי ליצור נתונים תלת מימדיים מ-12 זוויות צפייה שונות. לאחר שלבי העיבוד, הנתונים הללו הוכנסו למדפסת תלת מימד בדרגה מסחרית כדי ליצור את הדגם האמיתי של סלק הסוכר בגודל אמיתי. לאחר מכן, המחברים בדקו את המודל לשימושו המיועד כנקודת התייחסות, במעבדה ובשטח.
ג'ונאס בומר מסביר: "בתחום של פנוטייפ תלת מימדי של צמחים, ההתייחסות של מערכות חיישנים מנוצלות, אלגוריתמים ממוחשבים ופרמטרים מורפולוגיים שנלכדו מייצגת משימה מאתגרת אך חשובה ביסודה. היישום של טכנולוגיות ייצור תוסף ליצירת מודלים ניתנים לשחזור מהווה הזדמנות חדשה לפתח מתודולוגיות סטנדרטיות להתייחסות אובייקטיבית ומדויקת, ובכך להועיל הן למחקר המדעי והן לגידול צמחים מעשי".
יישומים והטבות עתידיות
הגישה אינה מוגבלת לסלק סוכר כמובן, והחדשה GigaScience מחקר מדגים כיצד השילוב של בינה מלאכותית, הדפסת תלת מימד וטכנולוגיית חיישנים יכול לתרום לגידול הצמחים של העתיד – ובכך לעזור להאכיל את אוכלוסיית העולם עם יבולים בריאים וטעימים.
מדען הנתונים של GigaScience, כריס ארמיט, מוסיף: "הערך במודל תלת מימד הניתן להדפסה הוא שאתה יכול להדפיס מספר עותקים, אחד לכל שדה גידולים. כאסטרטגיית פנוטייפ בעלות נמוכה, שבה העלות העיקרית היא סורק LIDAR, זה יהיה פנטסטי לראות את הגישה הזו נבדקת על יבולים אחרים כמו אורז או גידולי יתומים אפריקאים, שבהם יש צורך בפתרונות פנוטייפ בעלות נמוכה".
