利用 3D 打印甜菜植物改善智能作物育种 – 3D打印行业资讯网

德国研究人员团队正致力于通过人工智能驱动的作物管道改进，将农业带入未来。 使用激光扫描和消费者 FDM 3D 打印，他们能够创建详细的甜菜植物 3D 模型，这将帮助农民支持智能作物育种——改善作物以获得更高营养价值、生产力和可持续性等理想性状的科学。 波恩大学和甜菜研究所 (IFZ) 的研究人员在该杂志上发表了他们的研究成果 千兆科学。

“这项研究探讨了三维 (3D) 植物表型精确绘图的重要性，这对于推进植物育种和提高作物产量至关重要。 传统上，植物表型分析的参考数据基于侵入性方法。 3D 传感技术的最新进展使得收集手动测量无法匹配的参数成为可能。 这项工作的重点是评估 3D 打印的甜菜植物模型作为匹配工具，”该团队写道。

随着环境因素造成的条件日益严峻，农民调整作物生产以提高生产水平并确保安全变得越来越重要。 众所周知，植物育种有助于维持稳定的作物产量并应对气候变化，但对于新的作物品种来说，它需要工作、时间和有关植物基因构成或基因型与其环境相互作用的可靠信息。 正如研究人员解释的那样，“以植物的几何或生理特性的形式获取这些信息的过程称为植物表型分析。”

传统上，人们在表型分析过程中手动记录有关植物的信息，例如作物的大小、叶子的形状和大小、果实的质量等等。 但如今，更多的表型分析流程正在使用计算机传感器和人工智能来自动化实践并更有效地捕获有关植物的复杂信息。 事实上，有关作物种植的一切都变得更加现代化和自动化，研究人员表示，当今的植物育种是一个“数据驱动的企业，结合机器学习算法和复杂的成像技术来选择理想的性状”。

“无源和有源光学传感器的进步，加上 3D 重建算法，为地上植物结构的精确、高通量、高分辨率 3D 分析提供了基础，推进了 3D 芽表型研究 (6)7），”他们在文章中写道。

他们在该研究项目中的目标是创建更好的甜菜植物 3D 模型，以说明植物地上部分的主要特征。 这可以作为准确的参考来获取额外的遗传信息来指导智能作物育种，也可以帮助人工智能驱动的作物改良管道。

“在 3D 植物表型分析领域，所使用的传感器系统、计算机算法和记录的形态参数的抽象是一项复杂但极其重要的任务，”IFZ 博士生 Jonas Böhmer 解释道。 “使用增材制造技术创建可重复的参考模型代表了开发标准化方法以实现客观和准确参考的新机会，从而有利于科学研究和实际植物育种。”

对于“标准植物”，传感器需要所有相关特征的数据，甚至是复杂的 3D 特征，例如叶子方向或“植物投射的阴影”。 在手术规划或医疗培训中，真人大小的 3D 模型比计算机数据和 2D 表示更有用。 研究小组声称，他们开发的甜菜植物 3D 打印模型可以轻松复制以供在田间使用，在本例中是实际的田地或温室。

创建参考人造甜菜植物的工作流程。 中间过程显示在白框中。 所执行的生产步骤以橙色突出显示，所使用的软件和硬件以浅红色描绘。

该团队使用激光探测和测距 (LiDAR) 技术为其模型收集数据，并使用 Faro Focus 系统扫描甜菜植株，从 12 个角度生成 3D 数据。 他们使用 Faro Scene 软件、Open3D Python 库、CloudCompare 开源、Blender 和 PrusaSlicer 处理所有数据。 然后，他们使用 Prusa i3 MK3S+ 3D 打印机用 PETG 制作了植物的真人大小模型。

“在构建板上激活支撑，选择优质 0.15 毫米轮廓并根据我们的规格进行调整（周长：3，填充密度：50%，填充图案：螺旋体，边距宽度：5 毫米，悬垂阈值：30°）， “研究人员写道。

然后将该模型作为基准进行测试，首先在实验室进行测试，然后在现场进行测试。 由于这些模型可以使用 3D 打印轻松准确地生产，因此该团队表示，它们“在 3D 植物表型分析中实现了标准化参考方法”。 为了确保这一点，他们通过 Thingiverse 以及 Sketchfab 上的三个集合提供了可供下载和重复使用的文件。 这样，其他科学家就可以创建自己的对照甜菜植物副本，并使不同实验室的研究更具可比性。

研究小组希望他们的研究能够展示 3D 打印等现代技术如何帮助其他类型栽培作物的育种。

“3D 打印模型的价值在于，您可以打印多份副本，每个农田一份，”GigaScience 的数据科学家 Chris Armit 解释道。 “作为一种低成本表型分析策略，主要成本来自激光雷达扫描仪，很高兴看到这种方法在其他作物中进行测试，例如水稻或非洲孤儿作物，这些作物需要低成本表型分析解决方案”。

“所提出的参考模型具有高度可重复性和长期稳定性，这表明 FDM 3D 打印是适合所提出应用的制造技术。 所提出的为甜菜创建 3D 参考模型的过程可以作为为其他常用耕地或园艺作物开发类似参考模型的示例。”研究人员总结道。