Các nhà khoa học sử dụng chức năng quét laser để tạo ra mô hình 3D của phần nhô lên của củ cải đường nhằm thúc đẩy phát triển việc cải thiện quy trình trồng trọt thông qua sự hỗ trợ của AI.
Mô hình in 3D dùng để tham chiếu của cây củ cải đường được sử dụng trên các thí nghiệm thực địa - Ảnh: Institute of Sugar Beet Research, Göttingen
Minh chứng về các công nghệ mới có thể được sử dụng như thế nào trong nhân giống cây trồng thế kỷ 21 xuất phát từ nghiên cứu mới được công bố về việc kết hợp giữa quét laser và in 3D nhằm tạo ra mô hình 3D chi tiết của cây củ cải đường. Thực hiện bước tiếp theo ngoài việc có thông tin di truyền để hướng dẫn sinh sản thông minh, các mô hình thực vật 3D có các đặc điểm thiết yếu của các bộ phận nhô lên mặt đất của cây củ cải đường và có thể được dùng trong việc cải thiện quy trình cải tiến cây trồng thông qua hỗ trợ của AI. Các mô hình cây củ cải đường có thể tái sản xuất và phù hợp để sử dụng tại thực địa. Tất cả thông tin, dữ liệu, phương pháp nghiên cứu, cũng như các tệp in 3D đều được cung cấp miễn phí. Quản lý cây trồng đang đạt được các công cụ cần thiết, và dĩ nhiên, mọi người có thể in 3D cây củ cải đường cho riêng mình.
Cải thiện cây trồng bằng chùm tia laser và in 3D
Nhân giống cây trồng hiện đại là một hoạt động tập trung vào dữ liệu, bao gồm các thuật toán học máy và công nghệ hình ảnh phức tạp nhằm chọn ra những đặc tính mong muốn. “Xác định kiểu hình thực vật” - Khoa học thu thập thông tin và các số liệu chính xác trên cây trồng đã có nhiều cải tiến tích cực trong những năm qua.
Trước đây, việc xác định kiểu hình dựa vào các phép đo được thu thập một cách thủ công. Ngày nay, quy trình này ngày càng tự động hóa, sử dụng các công nghệ cảm biến hiện đại, với sự hỗ trợ thường xuyên bởi trí tuệ nhân tạo. Các phép đo được thực hiện bao gồm kích thước, chất lượng quả, hình dạng và kích thước của lá cũng như các thông số tăng trưởng khác. Ngoài lợi ích hiệu quả của việc chuyển giao công việc đo lường sang các quy trình tự động, các cảm biến được máy tính hỗ trợ thường có thể thu thập thông tin phức tạp về cây trồng mà con người rất khó thu thập trên quy mô lớn.
Tầm quan trọng của tài liệu tham khảo chính xác
Một khía cạnh quan trọng trong thế giới nhân giống cây trồng mới được tác động bởi cảm biến là sự có sẵn của tài liệu tham khảo chính xác.
Các cảm biến cần được trình bày với dữ liệu trên một “cây trồng tiêu chuẩn” bao gồm tất cả các đặc tính liên quan, cả những đặc tính 3 chiều phức tạp hơn như góc độ chiếc lá được định hướng. Việc dùng “cây nhân tạo” làm tham chiếu kích thước thực sẽ thuận tiện hơn việc có dữ liệu trên máy tính, giấy hay các hình thức trình chiếu 2D khác. Ví dụ một mẫu thực sự có thể được bao gồm mẫu tham khảo, kiểm soát bên trong nhà kính hoặc cánh đồng thử nghiệm giữa các cây thật.
Mô hình in 3D phục vụ nghiên cứu
Mô hình in 3D mới của cây củ cải đường được tạo ra với những ứng dụng này và có công dụng phụ rằng các tệp in có sẵn miễn phí để tải xuống và tái sử dụng. Điều này cho phép các nhà khoa học khác (những người thật sự có niềm đam mê với củ cải đường) tạo ra bản sao giống hệt các củ cải đường tham chiếu, khiến cho nghiên cứu được thực hiện bởi các phòng thí nghiệm khác nhau trên thế giới có thể đối chiếu nhiều hơn. Khả năng đáp ứng của in 3D có thể được điều chỉnh trong bối cảnh nguồn tài nguyên thiếu thốn, ví dụ như ở các quốc gia đang phát triển.
Thu thập dữ liệu bằng LiDar
Để thu thập dữ liệu chính xác cho các mô hình thực tế, tác giả Jonas Bömer và các cộng sự từ Viện Nghiên cứu củ cải đường (Göttingen) và Đại học Bonn đã sử dụng công nghệ LiDar (công nghệ phát hiện ánh sáng và xác định phạm vi).
Tóm lại, một cây củ cải đường thật được quét bằng tia laser để tạo ra dữ liệu 3D từ 12 góc nhìn khác nhau. Sau các bước xử lý, dữ liệu sẽ được đưa vào máy in 3D thương mại để tạo ra mẫu kích thước thật của củ cải đường. Tác giả sau đó kiểm tra mô hình vì mục đích sử dụng như vật mẫu trong phòng thí nghiệm và thực địa.
Jonas Bömer giải thích: “Trong lĩnh vực xác định kiểu hình cây trồng 3 chiều, việc tham chiếu các hệ thống cảm biến được sử dụng, thuật toán máy tính và các thông số hình thái được ghi lại là một nhiệm vụ đầy thách thức nhưng cơ bản rất quan trọng. Ứng dụng của công nghệ sản xuất bồi đắp để tạo ra mô hình tham chiếu có thể tái tạo mang lại cơ hội mới để phát triển các phương pháp nhắm mục tiêu nhằm tham khảo một cách khách quan và chuẩn xác, từ đó phục vụ lợi ích cho cả nghiên cứu khoa học và nhân giống cây trồng thực thế.”
Các ứng dụng và lợi ích trong tương lai
Tất nhiên, phương thức này không chỉ giới hạn ở củ cải đường. Nghiên cứu mới GigaScience cho thấy sự kết hợp của trí tuệ nhân tạo, in 3D và công nghệ cảm biến có thể góp phần tạo ra giống cây trồng trong tương lai, từ đó cung cấp lương thực cho dân số thế giới bằng những cây trồng bổ dưỡng thơm ngon.
Nhà khoa học dữ liệu của GigaScience - Christ Armit cho biết thêm: “Giá trị của mô hình 3D có thể in được nằm ở chỗ bạn có thể in nhiều bản sao, mỗi bản cho mỗi cánh đồng. Là một chiến lược xác định kiểu hình chi phí thấp, trong đó chi phí chính là máy quét LiDar, sẽ thật tuyệt vời khi thấy phương pháp này được thử nghiệm trên các loại cây trồng khác như lúa hoặc những cây trồng ở Châu Phi, nơi cần có các giải pháp xác định kiểu hình chi phí thấp”.
Việt An
(Lược dịch)