Verbesserung der Ernte mit Laserstrahlen und 3D-Druck

Eine Demonstration, wie neue Technologien in der Pflanzenzüchtung des 21. Jahrhunderts eingesetzt werden können, stammt aus einer kürzlich veröffentlichten Forschung, die Laserscanning und 3D-Druck kombiniert, um ein detailliertes 3D-Modell einer Zuckerrübenpflanze zu erstellen.

Über genetische Informationen zur Steuerung intelligenter Züchtung hinaus erfassen 3D-Pflanzenmodelle hier wesentliche Merkmale der oberirdischen Teile von Zuckerrüben und können für KI-gestützte Pipelines zur Pflanzenverbesserung verwendet werden. Die Zuckerrüben-Pflanzenmodelle sind reproduzierbar und für den Einsatz im Feld geeignet.

Alle Forschungsinformationen, Daten, Methoden sowie 3D-Druckdateien sind kostenlos verfügbar. Der Pflanzenbau erhält unverzichtbare Werkzeuge und natürlich kann jetzt jeder seine eigene Zuckerrübenpflanze in 3D drucken (minimaler Wartungsaufwand). Das 3D-Modell der Zuckerrübenpflanze und seine Validierung werden in einer neuen Veröffentlichung im Review vorgestellt GigaScience.

Die moderne Pflanzenzüchtung ist ein datenzentriertes Unternehmen, bei dem maschinelle Lernalgorithmen und hochentwickelte Bildgebungstechnologie zur Auswahl wünschenswerter Merkmale eingesetzt werden. „Pflanzenphänotypisierung“ – die Wissenschaft des Sammelns präziser Informationen und Messungen über Pflanzen – hat in den letzten zwei Jahren dramatische Verbesserungen erfahren.

In der Vergangenheit basierte die Phänotypisierung auf langwierigen Messungen durch Menschen. Heutzutage werden Phänotypisierungspipelines zunehmend automatisiert und nutzen modernste Sensortechnologie, oft unterstützt durch künstliche Intelligenz. Zu den durchgeführten Messungen können Größe, Fruchtqualität, Blattform und -größe sowie andere Wachstumsparameter gehören.

Zusätzlich zu der Effizienz, die sich aus der Verlagerung von Messarbeiten in automatisierte Pipelines ergibt, können computergestützte Sensoren häufig komplexe Informationen über eine Anlage erfassen, die für Menschen in großem Maßstab nur sehr schwer zu erfassen wären.

Ein entscheidender Aspekt in dieser neuen, sensorgesteuerten Welt der Pflanzenzüchtung ist die Verfügbarkeit von präzisem Referenzmaterial.

Die Sensoren müssen Daten über eine „Standardpflanze“ empfangen, die alle relevanten Merkmale umfassen, darunter auch komplexere dreidimensionale Merkmale wie den Winkel, in dem die Blätter ausgerichtet sind. Eine echte „künstliche Pflanze“ als Referenz in Originalgröße ist daher einfachen Computerdaten oder einer flachen 2D-Darstellung vorzuziehen. Ein reales Modell kann beispielsweise auch als Referenz und interne Kontrolle in einem Gewächshaus oder Testfeld unter realen Pflanzen eingesetzt werden.

Das neue 3D-gedruckte Modell einer Zuckerrübenfabrik wurde speziell für diese Anwendungen erstellt und bietet den zusätzlichen Vorteil, dass die Druckdateien kostenlos heruntergeladen und wiederverwendet werden können. Dies ermöglicht es anderen Wissenschaftlern (und eigentlich jedem Zuckerrübenliebhaber), eine exakte Kopie der Referenzzuckerrübe nachzubilden, wodurch die von verschiedenen Labors in verschiedenen Teilen der Welt durchgeführten Forschungen besser vergleichbar werden. Die Erschwinglichkeit des 3D-Drucks bedeutet auch, dass der Ansatz in ressourcenarmen Umgebungen, beispielsweise in Entwicklungsländern, angepasst werden kann.

Um präzise Daten für ihr realistisches Modell zu sammeln, nutzten die Autoren Jonas Bömer und Kollegen vom Institut für Zuckerrübenforschung (Göttingen) und der Universität Bonn die LIDAR-Technologie (Light Detection and Ranging). Kurz gesagt: Eine echte Zuckerrübenpflanze wurde mit einem Laser gescannt, um 3D-Daten aus 12 verschiedenen Blickwinkeln zu erstellen.

Nach den Verarbeitungsschritten wurden diese Daten dann in einen kommerziellen 3D-Drucker eingespeist, um das lebensgroße Modell der Zuckerrübe zu erstellen. Anschließend testeten die Autoren das Modell auf seinen beabsichtigten Einsatz als Referenzpunkt im Labor und im Feld.

Jonas Bömer erklärt: „Im Bereich der dreidimensionalen Pflanzenphänotypisierung stellt die Referenzierung der verwendeten Sensorsysteme, Computeralgorithmen und erfassten morphologischen Parameter eine schwierige, aber grundsätzlich wichtige Aufgabe dar.“

„Der Einsatz additiver Fertigungstechnologien zur Generierung reproduzierbarer Referenzdesigns stellt eine neue Möglichkeit dar, standardisierte Methoden für eine objektive und genaue Referenzierung zu entwickeln, was sowohl der wissenschaftlichen Forschung als auch der praktischen Pflanzenzüchtung zugute kommt.“

Der Ansatz beschränkt sich natürlich nicht nur auf Zuckerrüben, und die neue Studie zeigt, wie die Kombination von künstlicher Intelligenz, 3D-Druck und Sensorik zur Pflanzenzüchtung der Zukunft beitragen und so dazu beitragen kann, die Weltbevölkerung mit gesunden und leckeren Lebensmitteln zu ernähren . Ernten.

Der Datenwissenschaftler Chris Armit fügt hinzu: „Der Vorteil eines druckbaren 3D-Modells besteht darin, dass man mehrere Kopien drucken kann, eine pro Erntefeld.“ Da es sich um eine kostengünstige Phänotypisierungsstrategie handelt, bei der die Hauptkosten auf den LIDAR-Scanner entfallen, wäre es fantastisch, diesen Ansatz auch an anderen Nutzpflanzen wie Reis oder afrikanischen Waisenpflanzen testen zu sehen, bei denen ein Bedarf an kostengünstigen Phänotypisierungslösungen besteht.