То посеешь, что сочтешь: цифровой двойник растения предскажет урожайность

Российские исследователи разработали первую в нашей стране систему для создания цифровых двойников растений. Она сканирует побег за три с половиной минуты и создает его трехмерную модель. Затем ее можно использовать для анализа свойств экземпляра и выбора самого достойного из них для дальнейшего выращивания или селекции. В перспективе разработчики планируют включить в комплекс возможность моделировать развитие саженца в разных условиях. По мнению экспертов, технология сможет заметно облегчить выбор растительного материала, который сейчас основывается только на опыте агрономов. Однако для практического применения системы нужно сначала экспериментально подтвердить идентичность виртуальной копии и исходного растения.

Моделирование растений

Научная команда Тимирязевской академии впервые в России разработала опытный образец аппаратно-программного комплекса для создания цифровых двойников растений. Машина в течение трех с половиной минут сканирует объект и получает его виртуальный вариант, по которому можно объективно оценить его свойства. Таким образом можно быстро исследовать образцы саженцев для дальнейшего разведения или клонирования и выбрать самые сильные из них. В будущем разработчики планируют добавить в свою систему возможность моделировать развитие растений в разных условиях. Например, урожайность при той или иной погоде.

— В первую очередь наша система предназначена для селекции и генетических исследований для отбора растений с лучшими параметрами. Мы моделируем саженцы, которые выращивают в пробирках. Это сейчас один из самых современных методов сельского хозяйства, так как он позволяет получить идеальный модельный организм. В России это направление только зарождается, а вот в таких странах, как Нидерланды, технологию активно применяют. Она позволяет получить любое количество копий нужного вам побега, — сказал студент Тимирязевской академии Степан Валевич.

Для этого растение разрезают на множество кусочков и из каждого в пробирке получают полноценный росток, но для его развития нужно подобрать наилучшие условия, питательную среду и концентрацию необходимых веществ. Это делается с помощью нового аппаратно-программного комплекса, уточнил разработчик.

Система получила название Trium Natura. Технологию сканирования для нее создатели позаимствовали из инженерии, где она применяется для моделирования деталей. В ней используют сложный математический алгоритм. С помощью проектора на объект проецируются разные геометрические фигуры и за счет расчетов их искажений получается сверхточная 3D-модель. Таким образом за 3,5 минуты формируется цифровой двойник растения с точностью до 40 микрометров, то есть 0,04 мм.

Еще одна особенность разработки в том, что она позволяет делать цифровой вариант ростка прямо в пробирке. Обычно он совсем небольшой, в несколько раз меньше 10-рублевой монеты. Из-за стекла к нему нельзя применять стандартные методы сканирования, как, например, использование лазера. Применение вместо него проекций помогло решить проблему.

Избежать ошибок при выборе посадочного материала

На данный момент аппаратно-программный комплекс учитывает только форму побега. Однако сейчас ученые работают над тем, чтобы включить в расчеты и данные мультиспектрального анализа. Кроме прочего, он позволит оценивать уровень хлорофилла. Также компьютер будет рассчитывать коэффициент размножения, который показывает, сколько побегов можно получить из одного образца.

По словам разработчиков, их основная заслуга в создании уникального программного обеспечения для получения цифровых двойников. В конструкции комплекса используется стандартный сканер. Однако российские ученые создали для него свой оригинальный протокол.

Также в планах исследователей сделать виртуальный ботанический атлас по аналогии с цифровыми анатомическими атласами у медиков. С его помощью можно будет получать трехмерную модель растения в системах дополненной реальности и детально их изучать. Для этого создатели намерены отсканировать как можно больше видов.

— Методика выращивания растений в пробирках позволяет получать высококачественный растительный материал. Одно из первых хозяйств, которые ее применяют, расположено в Крыму, — сказал Степан Валевич.

По словам главного технолога общества «Плодовое» Павла Тюрина, пока на его предприятии технологию выращивания растений в пробирках не применяют, но уже закупают высококачественные саженцы, выращенные таким образом в Италии.

— Мы сами пока не используем эту технологию. Но некоторые саженцы черешни мы закупаем в Италии. Там, чтобы получить чистую сортность, их выращивают в пробирке. Сама идея системы, которая покажет, как будет развиваться росток, очень полезна. Например, при выращивании хмеля у саженца появляется около 50 отростков будущих лоз, и специалистам нужно выбрать из них только шесть. Сейчас они оценивают это по опыту, и делать это с помощью современных методов было бы правильно. Чем раньше мы предотвратим ошибку, тем скорее получим нормальное дерево, — пояснил Павел Тюрин.

Самое главное в работе такого аппаратно-программного комплекса, чтобы цифровые двойники действительно отражали уникальные свойства тех растений, с которых они сняты, считает младший научный сотрудник Сектора тропических и субтропических растений биологического факультета МГУ им. Ломоносова Виталий Аленкин.

— Важно, чтобы копия была идентична оригинальному саженцу. Например, для выращивания овощных культур используют LED-освещение, но для оранжерейных культур оно подходит плохо. Получается, сделано для растений, но подходит не для всех. Нужно экспериментально подтвердить, чтобы все эти уникальные свойства отражались в двойнике и повторяли материнское растение, — сказал Виталий Аленкин.

По оценкам разработчиков, создание системы должно завершиться к 2027 году.