Revoluce v poznání mravenců: 3D modely a AI odhalují skryté detaily 800 druhů

Vědci pomocí synchrotronu, rentgenu, robotiky a umělé inteligence vytvořili interaktivní 3D modely 800 druhů mravenců. Projekt Antscan drasticky zrychluje studium biodiverzity a otevírá nové možnosti pro výzkum, vzdělávání i zábavu.

Trojrozměrné zobrazení pomáhá oživit rozmanitost mravenců a přináší nový pohled na jejich svět. Vědecký tým pod vedením Evana Economa z University of Maryland a Thomase van de Kampa z Karlsruhe Institute of Technology (KIT) v Německu vyvinul průlomovou metodu, která kombinuje synchrotronový urychlovač částic, rentgenové skenování, robotiku a umělou inteligenci (AI) k vytvoření interaktivních digitálních snímků reprezentujících 800 různých druhů mravenců.

Laboratoř Evana Economa se již více než deset let věnuje skenování vzorků hmyzu pomocí mikro-CT přístrojů. Tyto rentgenové snímky pomáhají vědcům studovat formu a strukturu hmyzu, což je podobor entomologie známý jako morfologie. Proces byl však dosud nákladný a časově náročný. „Jedním z omezení je, že můžete získat bohatý 3D datový soubor, ale skenování jednoho vzorku může trvat 10 hodin,“ vysvětlil Economo.

Jako hlavní autor studie publikované v časopise Nature Methods Economo testoval vysoce technologický pracovní postup, který výrazně urychlil jejich úsilí. Tyto technologie umožnily týmu drasticky zkrátit dobu potřebnou ke skenování vzorků a transformaci surových obrazových souborů do 3D modelů s vysokým rozlišením. „Odhadujeme, že kdybychom tento projekt prováděli s laboratorním CT skenerem, trvalo by to šest let nepřetržitého provozu,“ uvedl Julian Katzke, první autor studie. „S nastavením v KIT jsme naskenovali 2 000 vzorků za jediný týden.“

Projekt, nazvaný Antscan, by mohl sloužit jako vzor pro budoucí digitalizační snahy – nejen pro mravence, ale pro širokou škálu druhů. Surové soubory pro konstrukci 3D modelů jsou volně ke stažení pro kohokoli a vestavěný prohlížeč každého mravence umožňuje snadný přístup k hotovým 3D snímkům. „Hodnota této studie se netýká pouze mravenců – je mnohem širší,“ řekl Economo. „Když jsou vzorky digitalizovány, můžeme vytvářet knihovny organismů, které mohou zefektivnit jejich využití od vědeckých laboratoří přes učebny až po hollywoodská studia.“

Pro vybudování takto rozsáhlé digitální knihovny výzkumný tým získal vzorky mravenců konzervovaných v ethanolu od partnerských institucí, muzejních sbírek a odborníků z celého světa. Po roztřídění vzorků podle druhu a kasty byly převezeny do KIT k vysokokapacitnímu rentgenovému mikro-CT skenování, které je srovnatelné s lékařskými CT skeny, ale s mnohem vyšším zvětšením. Synchrotronový urychlovač částic produkoval vysoce intenzivní rentgenový paprsek pro rychlé skenování obrovského množství vzorků a robotický měnič vzorků otáčel a vyměňoval vzorky každých 30 sekund. To umožnilo vytvoření 2D obrazových sad, které pak mohly být použity k sestavení 3D modelů.

Surové obrazové soubory sice byly užitečné, ale zobrazovaly vzorky mravenců v pokroucených pozicích – daleko od realistických modelů, které vědci doufali vytvořit. Jako navazující projekt na Antscan studenti z kurzu softwarového inženýrství pod vedením profesora Jamese Purtila z UMD Computer Science používají AI k automatizaci procesu „odhadu pozice“, což umožňuje transformovat nepohodlné pozice mravenců na přirozené, které by bylo možné vidět ve volné přírodě.