3D掃描儀
· Artec Space Spider
挑戰(zhàn)：多年生黑麥草高通量表型研究員需要一種全新方式，能在項目期間為160株單株植物測量6-8次，同時不損傷植株，幫助育種者和農(nóng)民找到具備好的性狀的植物。
解決方案：Artec Space Spider, Artec Studio, ImageJ, 3D Slicer
效果：Artec Space Spider短短幾分鐘完成了每株黑麥草麥穗的精準(zhǔn)捕獲，為每棵植株制成亞毫米級精度的3D模型，也為研究人員提供了深入視角，完整呈現(xiàn)了黑麥草的整個生長周期。掃描完成后，對麥穗3D模型進(jìn)行數(shù)字骨骼提取，精準(zhǔn)體現(xiàn)了麥穗具體結(jié)構(gòu)。
開花的黑麥草麥穗
目前，全世界糧食短缺，且形勢不斷惡化。全球人口還在不斷激增，預(yù)計2050年，全球人口將超過97億。多位專家認(rèn)為，屆時，糧食產(chǎn)量需要提高50-98%，才能維持基本的糧食安全。但是，這一數(shù)據(jù)并未考慮氣候變化問題帶來的不確定因素，在不斷邁向2050年的同時，氣變問題也在逐漸惡化。
世界各地的農(nóng)民都面臨著日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)——如何在越來越少的土地上種植更多的農(nóng)作物，如何在干旱、洪水、瘟疫和植物病害的摧殘下，通過某種方式確保農(nóng)作物產(chǎn)量穩(wěn)定。
全世界每天都有成千上萬人吃不飽，要滿足目前的糧食需求，已經(jīng)是項不小的挑戰(zhàn)。如果要破解這一難題，就需要實現(xiàn)農(nóng)業(yè)上的獨特創(chuàng)新，這也是全球?qū)＜业墓沧R。
新技術(shù)的歷史淵源
在這樣的大環(huán)境下，提高農(nóng)作物產(chǎn)量的前沿創(chuàng)新方式之一就是高通量表型（HTP）。簡而言之，表型分析就是通過觀察和分析特定植物，確定植物的可觀察性狀，并進(jìn)行預(yù)測。一萬多年來，農(nóng)民們正是這樣做的。
荷魯斯神殿中的古埃及牧師手握小麥，約公元前2世紀(jì)
農(nóng)民走過田野時，精心挑選性狀理想的植物，收集它們的種子，來年種植。農(nóng)民直接從田野間的農(nóng)作物上剝下種子，而那些已經(jīng)從植物上剝落（或落粒）的種子不予考慮。有蟲害和其他缺點的植物也不被采納。
幾代人反復(fù)這樣的過程，才在一定程度上為我們留下了大量營養(yǎng)好、適應(yīng)性強(qiáng)的作物，幫助養(yǎng)活了世上數(shù)十億人。目前，人類大約75%的卡路里來自12種主要農(nóng)作物，因此，重點研究這些植物，就更有可能滿足人類不斷增長的糧食需求。
將“高通量”與表型技術(shù)結(jié)合起來，就更有意思了。這項技術(shù)主要是指通過各種無損工具和技術(shù)，快速提高植物數(shù)據(jù)收集和分析的準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)表型分析方法要將植物切碎，再運回實驗室分析。隨后，用直尺和游標(biāo)卡尺對植物復(fù)雜的物理性狀進(jìn)行深入研究和測量。
解決行業(yè)普遍問題，迫在眉睫
手工測量是一種費時費力的做法，使用了數(shù)十年，已經(jīng)成為了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但是隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，高通量表型迅速興起。美國太空部隊少校Travis Tubbs是一名研究員，他認(rèn)識到HTP具有巨大潛力，能更快、更準(zhǔn)確地?zé)o損采集植物數(shù)據(jù)。他在俄勒岡州立大學(xué)研究多年生黑麥草時，很想找到一種方法，可以精確分析數(shù)百種植物，而且，所需時間會比過去少很多。
多年生黑麥草圖示（Lolium perenne）
多年生黑麥草是受歡迎、適應(yīng)性強(qiáng)的喜涼作物，許多國家用它來飼養(yǎng)牲畜。2019年，僅在俄勒岡州，就收獲了3.6億磅黑麥草種子，銷售價值超過1.86億美元。但是，種子脫落導(dǎo)致提前落粒，則意味著每年黑麥草減產(chǎn)至少20%。
許多植物都有落粒的性狀，如果種子在合適的時期脫落，那么就能散播種子，形成新作物。
俄勒岡州立大學(xué)Hyslop作物科學(xué)田間研究實驗室的多年生黑麥草
Tubbs說：“為了準(zhǔn)確找出哪些黑麥草品系不容易出現(xiàn)提前落粒，我們需要分析數(shù)百種植株的小穗，測定種子的穩(wěn)固程度以及小穗的高度和長度。如果使用原來的手動測量法，手里將有一堆枯死的植株，而且你是永遠(yuǎn)不可能在生長周期短暫的時間窗口內(nèi)精準(zhǔn)測量這么多小穗的。”
三維掃描閃亮登場
Tubbs研究了攝影測量學(xué)和其他類似的快速數(shù)據(jù)捕獲法，他差點打算自行設(shè)計三維掃描儀，用于田野研究。當(dāng)時，他正好訪問了埃太科三維網(wǎng)站，發(fā)現(xiàn)了Artec Space Spider，這是一款手持式專業(yè)三維掃描儀，多年來一直是受研究人員的喜愛。他迅速聯(lián)系了當(dāng)?shù)亟?jīng)銷商，并安排了現(xiàn)場演示。
Artec Space Spider
埃太科金牌經(jīng)銷商Digital Scan 3D的Richman Siansimbi見了Tubbs，他們一起使用Space Spider掃描了黑麥草部分樣品。那天下午，Tubbs發(fā)現(xiàn)Space Spider的亞毫米級掃描能呈現(xiàn)大量細(xì)節(jié)，用于分析，而且在Siansimbi的幫助下，他們進(jìn)行了實驗，找到了一種可重復(fù)操作的工作流來掃描黑麥草，且過程輕松，這一方法Tubbs一直用到今天。
Tubbs只要走進(jìn)田間，找到要捕獲的小穗，然后，小心翼翼地將小穗頂部彎到地面，放在掃描背景下。起初，這塊背景是一條紫色的橡膠運動帶，因為它又寬又軟，可以平放在地上，掃描過程中保持不動，每株植株的掃描時間不到一分鐘。
Artec Studio 15中Space Spider掃描黑麥草麥穗的截屏
通過不斷嘗試，并咨詢埃太科網(wǎng)站在線客服，Tubbs發(fā)現(xiàn)改用堅硬的黑白木板作背景，再用Artec Studio軟件處理掃描會更容易。要想更簡單，Tubbs建議用報紙即可，如果遇上大風(fēng)，可以兩側(cè)壓一下。
見證科技的卓越精度
為了證實Artec Space Spider的精準(zhǔn)度，Tubbs想到了標(biāo)尺，用尼康D5000數(shù)碼單反相機(jī)為其拍照。然后，他用ImageJ軟件處理了照片，在20厘米長的標(biāo)尺上對每一厘米作了標(biāo)記。隨后在掃描模型上重復(fù)該過程。
上圖：三維 Artec Space Spider掃描的標(biāo)尺，每厘米都作了標(biāo)記。下圖：尼康D5000相機(jī)拍攝的平面圖，由ImageJ軟件測量
平面圖像測量精度與 Artec Space Spider三維精度對比圖
隨后，Tubbs將測量值繪制成圖，直觀地比較兩種方式的精度。從圖表上看，兩種方法都能準(zhǔn)確地測量多年生黑麥草穗，且還原度高。 照片的測量誤差為±1.72毫米。而Space Spider的掃描誤差為±0.09毫米。兩種方法的精度并無統(tǒng)計意義上的差異（P值為0.92），證實了設(shè)備精度很高。
夜幕下掃描黑麥草麥穗
兩年項目期內(nèi)，如果需要掃描，Tubbs會在日出前驅(qū)車前往俄勒岡州立大學(xué)的Hyslop作物科學(xué)田間研究實驗室。先掃描幾個小時，到傍晚再繼續(xù)掃描。 Artec Space Spider的獨特捕獲方法意味著Tubbs甚至可以夜間掃描，哪怕光線很暗也沒關(guān)系。畢竟，Tubbs總共種了640株黑麥草。
谷歌地圖標(biāo)記了美國農(nóng)業(yè)部供應(yīng)的40種不同黑麥草種子的來源
這些美國農(nóng)業(yè)部收集的植物種子來自全球40個區(qū)域，它們分布在愛爾蘭、丹麥、比利時、荷蘭、希臘、阿爾及利亞、新西蘭、美國等地。Tubbs培育了這40顆種子，待成熟后選出了遺傳“家族”中4株具代表性的植株，“復(fù)制”出160株，最后又對160株植物克隆了四次，并大面積隨機(jī)種植，來剔除環(huán)境變量。
Tubbs只掃描了一組復(fù)制植株，也就是整個640株植物中的1/4，研究小規(guī)模的植株樣品，Tubbs就能在項目期內(nèi)對每個植株掃描、分析6-8次。Space Spider完成了大約800份高分辨率三維掃描，為Tubbs提供了海量精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，揭示了大量有用信息，這些數(shù)據(jù)可以說明哪些植株不容易出現(xiàn)落粒現(xiàn)象，以及背后的原因。
Artec Studio 15中Space Spider掃描的黑麥草X光模式截圖
Tubbs總結(jié)了這段時間以來的掃描經(jīng)驗，他說：“每次掃描前，我都會標(biāo)記好麥穗，一周后再捕獲麥穗。重復(fù)三、四次后，我就能自信地說出每根麥穗和小穗過去和現(xiàn)在的樣子。從頭到尾，你都能精確測量出每根麥穗各個結(jié)構(gòu)的生長情況。”
Tubbs繼續(xù)說道：“傳統(tǒng)的表型分析法無法觀察植物生長周期中的具體時間窗口。你必須先破壞植物才能測量。這樣一來，就沒法看出它的生長情況，也不知道未來幾天或未來幾周植株的模樣。”
Space Spider在高精度高通量表型中的獨特優(yōu)勢
有了Space Spider掃描，Tubbs可以測量1毫米以內(nèi)的小穗，精確測量所有不規(guī)則表面和幾何形狀，提供每個小穗上種子團(tuán)塊的結(jié)構(gòu)信息，包括各個角度和落粒區(qū)（種子離開植物的區(qū)域），這些信息對于分析每個植物的獨特表型來說十分重要。
多年生黑麥草小穗
使用Space Spider獲得精準(zhǔn)數(shù)據(jù)后，Tubbs回憶起傳統(tǒng)表型法，他說：“這些研究員只會從30-40株植物中隨機(jī)取樣。然后表示盡管這些隨機(jī)樣本量較小，但也可以代表整體。你可以看下使用傳統(tǒng)方法的科研論文，基本上研究人員都是這么操作的。”
追求精益求精的Tubbs將三維掃描導(dǎo)出至3D Slicer中，這是一個用于圖像分析和科學(xué)可視化的開源軟件包，可以對黑麥草麥穗高分辨率模型進(jìn)行骨骼提取。借助 3D Slicer，Tubbs將每個3D小穗“切割”成幾千片獨立的圓形切片。
Space Spider掃描并完成骨骼提取的黑麥草麥穗
這項功能通常用于X光、CT和MRI掃描，不過也方便Tubbs進(jìn)行骨骼提取。將切割后的三維小穗導(dǎo)入ImageJ軟件，Tubbs就能找到每根麥穗幾千塊切片的正中心。
然后，他把每塊切片的正中心連接起來，形成一根完整的麥穗。用Tubbs的話說，“這樣就能把研究聚焦到正中心，關(guān)注麥穗結(jié)構(gòu)以及其他復(fù)雜特征，供像我這樣的研究人員分析穗長、小穗結(jié)構(gòu)、每棵麥穗的小穗數(shù)量、小穗在葉軸上的間距、小穗與葉軸的角度、小穗大小等方方面面。”
優(yōu)質(zhì)的谷物蔬果能抗蟲害、抗干旱
一旦確定哪些植株具備理想性狀，就會繼續(xù)進(jìn)行基因?qū)用娴难芯浚⑴c其他植株一起繁殖和育種。研究人員可以用短的時間培育出優(yōu)質(zhì)黑麥草，以及其他各種各樣的植物，包括水稻、大麥、小麥，以及各種水果和蔬菜。這些植物抗蟲害、抗干旱能力強(qiáng)，幾乎不需要任何農(nóng)藥。
但是，Tubbs表示，“這也是一場沒有終點的賽跑。因為即使我們培育出更健壯的植物，昆蟲也能快速適應(yīng)。這場戰(zhàn)爭已經(jīng)在植物和害蟲之間持續(xù)了數(shù)百萬年。我們希望找到有利于植株生存和繁衍的性狀，幫它們一把。高通量表型和Artec Space Spider可以幫助我們在這場賽跑中占據(jù)領(lǐng)先優(yōu)勢。”
采用不同數(shù)碼采集手段的高通量表型對比
目前，研究人員對此類高效工具的需求越來越大。Tubbs說：“為了找到更高效的高通量表型解決方案，農(nóng)業(yè)部門花了不少錢。各地的研究人員都在積極尋找適用于世界上所有農(nóng)作物的方法。所有農(nóng)業(yè)部門都在想方設(shè)法解決這一問題。”
他補(bǔ)充道：“對我而言，我只關(guān)心黑麥草，這是我們這里的主要作物。不過我們這個方法也可以復(fù)制到玉米、小麥或其他谷物和植物身上。”
關(guān)于掃描儀的操作是否人性化，Tubbs評論道：“我使用的黑麥草等植株捕獲技術(shù)學(xué)起來很方便。有時參會期間，我就能教會別人如何使用Artec Space Spider了。在田野工作時，也用到一些不同的技術(shù)，我也很樂意和其他研究員分享這些技術(shù)。”
Tubbs再次肯定了這項技術(shù)，他說：“毫無疑問，我利用Artec Space Spider進(jìn)行的高通量表型符合農(nóng)業(yè)未來的發(fā)展趨勢。植物育種者和農(nóng)民能快速篩選出具備理想性狀的植株，應(yīng)對當(dāng)前和未來的需求，也就是說，這些植株能抵抗新出現(xiàn)的疾病，是適應(yīng)環(huán)境變化的品種。選種速度越快，我們就能更好地應(yīng)對未來需求。”
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