【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國科學(xué)院自動化研究所和中國科學(xué)院生物遺傳與發(fā)育研究所聯(lián)合研發(fā)了面向現(xiàn)代溫室的育種/制種流程加速的全自動化方法與機器人系統(tǒng)。
8月11日，相關(guān)研究論文以Engineering tomato floral morphology facilitates robotization of cross-pollination and speed breeding為題，在線發(fā)表于《細(xì)胞》(Cell)。該項研究是人工智能、機器人技術(shù)和現(xiàn)代育種業(yè)的深度交叉融合，開辟了“BT(Biological Technology)筑基+AI賦能+機器人(Robot)勞作”的智能育種(BAR)模式，打破了傳統(tǒng)雜交育種和制種瓶頸，大幅降低育種成本、縮短育種周期、提高育種效率。研究成果標(biāo)志著我國率先完成智能機器人育種閉環(huán)技術(shù)體系構(gòu)建，在生物育種范式革新和催生新質(zhì)生產(chǎn)力方面展現(xiàn)了“AI for Science”的應(yīng)用前景。
數(shù)千年來，人類文明從40多萬種植物中馴化出適用于溫室育種、制種、生產(chǎn)的40多種農(nóng)作物，這40多種農(nóng)作物是人類餐桌的主要食物來源。一定程度上，制作、養(yǎng)育、生產(chǎn)好這些農(nóng)作物為人類的糧食安全提供了基本保障。目前，在溫室作物育種、制種的“種-管-育-收”四個階段中，無論異花授粉作物(如瓜類、十字花科類作物等)，還是自花授粉作物(如茄科、禾木科作物)，其育種階段仍然大量依靠人工避開包裹雌蕊的雄蕊將花粉涂抹到雌蕊的柱頭上。人工雜交育種過程處理要求非常精細(xì)，耗時耗力，是現(xiàn)代溫室作物育種/制種流程全自動化的主要瓶頸。
圖1. 智能育種機器人用于溫室番茄、大豆育種/制種流程自動化及加速
本研究針對異花授粉作物建立了傳感受限條件下極端微小操作目標(biāo)精確感知、微弱育種目標(biāo)柔順操作與溫室軌道精確停駐等方法；針對自花授粉作物，更進(jìn)一步建立了基于分子育種技術(shù)的柱頭外露雄性不育系。研究組基于上述人工智能機器人技術(shù)和分子育種技術(shù)，聯(lián)合開發(fā)了面向現(xiàn)代溫室作物育種/制種流程自動化的智能育種機器人，并在北京首農(nóng)翠湖工場北1區(qū)育種示范基地進(jìn)行了部署(圖2)，實現(xiàn)了自動化雜交育種。
育種機器人柱頭識別準(zhǔn)確率可達(dá)85.1%，每授粉一個花朵僅耗時13秒，單次巡航授粉實現(xiàn)了77.6% ± 9.4%的成功率，且可以全天候不間斷進(jìn)行反復(fù)巡航自動雜交授粉以確保每朵花成功授粉坐果。在坐果率相當(dāng)?shù)那闆r下，針對異花授粉作物，機器人授粉效率和人工授粉接近；對于自花授粉作物，機器人授粉效率比人工授粉效率明顯提升，展示了溫室中更快培育氣候適應(yīng)性作物來提高效率和降低成本的潛力。
上述研究成果為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)提供了可推廣的技術(shù)模板，其“生物設(shè)計-機器適配"的雙向優(yōu)化思路，為應(yīng)對氣候變化下的糧食安全挑戰(zhàn)提供了智能化解決方案。未來還可拓展至表型監(jiān)測、智能采收等農(nóng)業(yè)全鏈條自動化場景。目前，育種機器人零部件已經(jīng)實現(xiàn)全部國產(chǎn)化，應(yīng)用前景廣闊。
圖2. 智能育種機器人在北京翠湖工場北1區(qū)育種示范基地工作情況 (a)人工雜交育種(b)機器人自動雜交育種
中國科學(xué)院自動化研究所楊明浩副研究員是本論文共同第一作者，同時也是論文人工智能和機器人技術(shù)部分負(fù)責(zé)人；中國科學(xué)院自動化研究所2021級碩士研究生孫楊昌、2023級碩士研究生呂鴻昌、2025級碩士研究生王金陽、實習(xí)生肖俊、齊靖達(dá)、劉安琪、肖志綱分別參與了論文機器人視覺感知、機器人靈巧操作、機器人系統(tǒng)搭建及機器人溫室自主漫游等工作。中國科學(xué)院生物遺傳與發(fā)育研究所許操研究員為論文通訊作者；中國科學(xué)院生物遺傳與發(fā)育研究所博士生謝躍、張廷浩為論文共同第一作者，負(fù)責(zé)分子育種設(shè)計方面的工作。中國科學(xué)院自動化研究所韓華研究員，清華大學(xué)陶建華教授亦對本文做了重要貢獻(xiàn)。另外，首農(nóng)翠湖工場李新旭、李樹山等對該項研究提供了重要支撐和幫助。該項研究得到了中國科學(xué)院自動化研究所懷柔腦認(rèn)知功能圖譜與類腦智能交叉研究平臺項目、國家自然科學(xué)基金京津冀基礎(chǔ)研究合作專項、中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)B類專項、廣西重點研發(fā)計劃等項目的資助。
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