温室大棚里，一株株番茄藤蔓间，零星能看到黄色的花朵正在绽放。与普通番茄花有雄蕊和雌蕊不同，这里的番茄花雄蕊开裂、花粉败育，只有雌蕊（柱头）裸露在外——这是育种中经常使用的雄性不育系亲本。智能育种机器人“吉儿”行走其间，精准地识别出花朵，机械臂伸出，轻轻触碰雌蕊的柱头，仅需十几秒，一次杂交授粉就完成了。
这是中国科学院遗传与发育生物学研究所许操研究员带领的智能育种攻关团队将生物技术（BT）与人工智能（AI）深度融合，首次提出作物—机器人协同设计理念的写照。通过基因编辑重新设计作物花型，快速精准创制“机器人友好”的结构型雄性不育系，再运用深度学习和人工智能技术研制可自动巡航杂交授粉的智能育种机器人“吉儿”，打造“智能机器人育种工厂”，实现了优异品种的智能快速定制。
这一创新开辟了“BT筑基+AI赋能+机器人劳作”的智能育种模式，标志着我国率先完成自主产权的智能机器人育种闭环技术体系构建。此举打破了杂交育种和制种瓶颈，有望大幅降低育种成本、缩短育种周期、提高育种效率。相关成果已发布在《细胞》杂志上。
传统的杂交育种和制种通常需先对母本花朵去雄，再将父本花粉涂抹到母本花朵柱头上，整个过程依赖熟练工人，要在花朵绽放前的短暂窗口期完成操作。柱头外露的结构型雄性不育系则可以免除上述操作，一直是杂交育种和制种梦寐以求的性状。
育种机器人在首农翠湖工场的温室中自动巡航杂交授粉
然而，以番茄为例，它属于柱头内缩的闭合花型，使得全球番茄杂交育种和制种至今仍完全依赖人工进行杂交授粉，这项工作的人力成本已占番茄总育种成本的25%以上，仅人工去雄一项就占番茄杂交授粉成本的40%。另一些花型闭合的作物因杂交制种成本过高，至今仍无法利用杂种优势，大豆就是其中的典型代表。尽管杂交种有30%以上的增产潜力，但大豆花高度闭合，杂交授粉操作极其困难，无法进行杂交制种。
许操研究员团队精准创制了番茄的结构型雄性不育系，雄蕊花粉败育，柱头无须伸长便可自然外露，在重新设计花型的同时，还不影响番茄果实产量和种子质量。柱头外露型雄性不育系的产生扫除了人工智能机器人进行杂交授粉操作的最大障碍，使得机器人代替人工进行智能自动化杂交育种和制种成为可能。
然而，要实现机器人杂交授粉，还需攻克三重技术难关：须有效排除干扰，花朵与叶片、枝条等混在一起，且朝向多变，不仅要识别出花朵，还要准确定位花朵方向；识别精度要高，花朵和柱头等操作对象微小，要能够在复杂背景下，在毫米级精度实时定位微小的柱头；操作力度要得当，柱头仅能承受轻柔短暂的触碰，力度过大会导致柱头挫伤、折断无法坐果。
许操研究员与中国科学院自动化所的杨明浩副研究员团队合作，攻克上述技术难题：用12,800张图像训练深度学习神经网络模型，花朵检测准确率达82.0%；运用伪双目测距策略，通过SURF特征匹配与RANSAC算法计算柱头3D坐标，使定位误差控制在7.67 毫米内；采用螺旋伺服授粉策略结合轻量级神经网络，确保花粉能够准确轻柔地递送至柱头表面。团队研发出的智能授粉机器人“吉儿”，柱头识别准确率可达85.1%，每授粉一个花朵仅耗时15秒，单次巡航授粉实现了77.6%±9.4%的成功率，零部件国产化自主率已达95%以上。在首农翠湖工场商业化温室中试运行，可以全天候不间断进行反复巡航杂交授粉，从而确保每朵花成功授粉坐果。
研究人员进一步将“吉儿”机器人与“从头驯化”育种技术以及“快速育种”技术结合，建立了智能育种工厂，使得近缘野生种的育种利用周期由原来的5年缩短为1年且节省人工，释放了作物野生近缘种在提升栽培种抗逆和口感特性的育种潜力，可批量快速培育风味浓郁的口感番茄和抗逆丰产的优质番茄新种质。研究人员将“吉儿”系统应用于大豆，成功创制柱头外露的大豆雄性不育系，可节省76.2%人工授粉操作时间。
“运用前沿生物技术精准创制结构型雄性不育系，柱头外露的雄性不育花型具备区别于可育植株的‘表型标记’，可以被机器人准确识别，无需使用分子标记的生物学实验来鉴定不育系。机器人可以自动完成‘恢复系’和‘保持系’对‘不育系’的杂交授粉，以‘机器人配套’的方式实现智能自动化杂交育种。”许操介绍。
《细胞》杂志审稿人称赞：“一项令人振奋的创新性突破，通过‘BT+AI’交叉融合解决重大科技问题和产业难题的典范，具有广阔的应用前景。”该成果由中国科学院遗传发育所联合中国科学院自动化研究所、上海交通大学、清华大学组成的跨学科团队联合攻关取得。
