Цифровые двойники уже используются в ряде отраслей от здравоохранения до производства и сервисов такси, где виртуальные копии цепочек поставок, деталей транспортных средств, маршрутов движения и так далее позволяют быстро внедрять инновации и адаптироваться. В сельском хозяйстве цифровые двойники также имеются, например, в современных теплицах. Теперь исследователи хотят побыстрее создать цифровых двойников для селекции растений, и по кукурузе уже достигнут значительный прогресс.
Ученый-растениевод из Университета Небраски-Линкольна Джеймс Шнабл стал обладателем трехлетнего гранта в размере почти 1 миллиона долларов от Национального научного фонда, NSF, для разработки первого цифрового двойника кукурузного поля, что позволит исследователям быстро протестировать бесчисленные сценарии, связанные с урожайностью и другими характеристиками важной культуры, сообщает университет в релизе. Шнабл сотрудничает с исследователями из Университета штата Айова и Университета Пердью, которые также получили финансирование на проект в размере 2 миллионов долларов.
«После того, как мы создадим этих цифровых близнецов, мы сможем использовать высокопроизводительные вычисления для моделирования и изучения того, как будут вести себя целые поля кукурузы с различными свойствами, например, насколько растения устойчивы к ветру и насколько эффективно они используют воду и улавливают свет, - без необходимости фактического выращивания кукурузного поля», — сказал Шнабл, президент Nebraska Corn Checkoff и профессор агрономии и садоводства.
Двойники помогут исследователям преодолеть реальные ограничения по количеству полевых испытаний, которые они могут провести, и быстрее определять схемы посадки и гибриды с наибольшим потенциалом.
«Если мы сможем отсеять миллион различных комбинаций и найти самые многообещающие, мы добьемся гораздо более быстрого прогресса, чем если бы мы просто выбирали по 100 каждый год для тестирования», - пояснил Шнабл, отметив, что вместе с коллегами уже много лет оценивают технологию цифровых двойников в сельскохозяйственной сфере. В 2021 году восемь учреждений, включая Университет Небраски-Линкольна, объединились для создания Института ИИ для устойчивого сельского хозяйства, базирующегося в штате Айова, с целью создания виртуальных копий сельскохозяйственных культур и полей. В рамках этой инициативы Шнабл сотрудничает с экспертами в области искусственного интеллекта и 3D-моделирования и цифровой реконструкции растений.
Ранее ученые полагались на модели роста сельскохозяйственных культур - сложные серии уравнений - для прогнозирования урожайности. Но сбор достаточного количества данных для адаптации этих моделей к новым гибридам - трудоемкий и длительный процесс.
И, напротив, сейчас высокопроизводительная система фенотипирования растений LemnaTec, размещенная в инновационном центре теплиц инновационного кампуса университета, автоматизирует большую часть процесса сбора данных и выдает данные с высоким разрешением на протяжении всего жизненного цикла растения, которые эксперты используют для создания растений-двойников.
Еще один инновационный подход - моделирование трассировки лучей — сложная технология имитации поведения света в цифровых изображениях - для отслеживания распределения света по всему пологу посадок. «Фактические данные уровня трассировки лучей и доступ к действительно высокопроизводительным вычислениям, а также другие инновации позволяют определить идеальные схемы посадки для улавливания света, минимизации потерь воды и повышения производительности. Они также позволят оптимизировать и сами растения кукурузы - определять идеальные физические характеристики кукурузы, такие как количество, угол, длина и ширина листьев, в определенных условиях. Теперь мы можем довольно быстро сделать это, хотя раньше это было невозможно», - сказал Шнабл.
Затем, используя обратное процедурное моделирование и методы количественной генетики, Шнабл определит гены, контролирующие эти физические характеристики. «Затем мы сможем спланировать, насколько сложным будет выведение новых сортов кукурузы с этими недавно выявленными потенциально оптимальными комбинациями признаков листьев, чтобы создать более продуктивные и ресурсосберегающие сорта кукурузы», заключил исследователь, добавив, что для университета грант отражает мировое лидерство в области высокопроизводительного фенотипирования и количественной генетики кукурузы - двух ключевых областях для достижения продовольственной безопасности – и стремление объединить экспертов, предоставив им возможности для прорывных открытий. Для Шнабла лично этот проект знаменует собой возвращение к быстрой работе, которая привлекла его к вычислительной биологии в аспирантуре. С момента приезда в Небраску в 2014 году он посвятил значительное время полевым экспериментам, которые, по его словам, были продуктивными и полезными. Но он стремится вернуться к быстрому времени цикла, предлагаемому цифровым двойником.
«Идея сесть за компьютер, ввести какие-то цифры, наблюдать за изменением растений на экране и сразу же получать обратную связь действительно увлекательна. Я рад заниматься этим», - отметил он.
Источник и фото: University of Nebraska-Lincoln and Extension.