М’який роботизований захоплювач листя від Корнеллського університету
Захоплювач листя м’який роботизований вводить в листя сенсори, які допомагають йому виявляти та взаємодіяти з навколишнім середовищем. ІТАКА, Нью-Йорк — Інструменти, які забезпечують раннє та точне розуміння здоров’я рослин – і дозволяють здійснювати індивідуальні втручання в рослини – є ключовими для збільшення врожайності, оскільки екологічні фактори все більше впливають на садівництво та сільське господарство. У відповідь на цей виклик дослідники з Корнеллського університету розробили м’який роботизований пристрій, який обережно захоплює та вводить в живі листя рослин сенсори, що допомагають йому виявляти та взаємодіяти з навколишнім середовищем.
Робот також може вводити генетичний матеріал, який може бути використаний для біоінженерії рослин у майбутньому. Пристрій дозволяє безпечну, повторювану доставку сенсорів та генетичного матеріалу надійним, безпечним для рослин способом – це важливий крок у прецизійному, орієнтованому на дані сільському господарстві. Результати команди були опубліковані в Science Robotics. Фінансування дослідження було надано Національним науковим фондом в рамках п’ятирічного гранту на 25 мільйонів доларів, що підтримує Центр досліджень програмованих рослинних систем (CROPPS), очолюваний Корнеллом.
«Рослини, як і люди, мають різні реакції на навколишнє середовище, і прецизійне сільське господарство є зусиллям наблизитися до втручання на рівні окремої рослини – та ґрунту навколо неї», – сказав старший автор статті Роберт Ф. Шепард, професор у Школі механічної та аерокосмічної інженерії Корнеллського університету та науковий керівник CROPPS.
Захоплювач листя, для садівників, фермерів та агрономів
Садівники, фермери та агрономи стикаються з зростаючими тисками з боку екологічних впливів, таких як посуха та стік добрив. Впроваджуючи сенсори в листя, дослідники можуть контролювати вплив посухи або передозування добрив на рослину. Щоб продемонструвати, команда використала захоплювач для доставки двох типів зонда. Перший, AquaDust, є маленькою гелевою частинкою, яка флуоресціює у відповідь на водний стрес, що дозволяє дослідникам неінвазивно контролювати рівень зволоження рослини. Другий зонд, RUBY, є генетично закодованим біологічним репортером, який викликає появу червоної пігментації в місцях, де відбувається генетична трансформація в рослині.
«AquaDust дозволив нам ‘побачити’ водний стрес всередині листа, і подібно, вводячи бактерію, яка трансформує область введення з генами репортера RUBY, ми змогли ‘побачити’, що ця частина листа зазнала генетичної трансформації», – сказав перший автор Мехмет Мерт Ілман, раніше постдокторський дослідник в Organic Robotics Lab, а тепер асистент професора механічної інженерії в Університеті Маніса Джелал Баяр у Туреччині.
«Було захоплююче мати можливість роботизовано трансформувати місцеву генетику листа рослини, а потім бачити, як вона змінюється назад», – додав він. Дослідники протестували пристрій на листях соняшника та бавовни – рослин, відомих своєю структурною стійкістю до інфільтрації. Захоплювач досягнув більше 91% успіху в доставці, завдаючи при цьому значно менше шкоди, ніж методи, засновані на шприцах, і розширив ефективну зону інфільтрації більш ніж у 12 разів.
Захоплювач листя, м’яка роботизована система
М’яка роботизована система працює без рук, доставляє матеріали більш рівномірно та завдає мало або зовсім не завдає шкоди, навіть у важких і міцних видах, таких як бавовна. Ця техніка є покращенням традиційних ручних методів, таких як вакуумна інфільтрація, яка використовує низький тиск повітря для примусового введення рідин у рослинні тканини, або ін’єкції голкою, які можуть пошкоджувати листя, є трудомісткими та часто зазнають невдачі у важких типах рослин.
Це особливо важливо для садівничих культур – рослин з м’якою шкірою, вирощуваних заради їхніх плодів, овочів, квітів або декоративної цінності. Пристрій застосовує м’який, рівномірний тиск через губчастий наконечник, що утримує наночастинки або генетичні зонди. Дизайн м’якого матеріалу та актуатора (частини машини, яка виробляє силу або крутний момент) був оптимізований за допомогою програмного забезпечення для симуляцій та 3D-друку, що дозволило захоплювачу функціонувати з різними типами та формами листя.
«Його низька жорсткість дозволяє деформувати форму захоплювача, щоб адаптуватися до орієнтації та поверхні листа з невеликими наслідками для здоров’я листа», – сказав Шепард. «Форма витягнутого актуатора дозволила досягти великого переміщення та можливості регулювати орієнтацію без громіздкого або складного керування двигуном».
Дослідження закладає основу для моніторингу рослин у реальному часі з мінімальним втручанням, зазначив Шепард. «М’які захоплювачі для введення фізичних або біологічних зондів відкривають нові та неймовірні можливості», – сказав він. «Негайне використання нашої системи, ймовірно, буде в теплицях, де робот постійно вводитиме та контролюватиме окремі рослини, щоб з’ясувати, скільки води їм потрібно». У довгостроковій перспективі подібні захоплювачі можуть бути використані для доставки або вилучення інших діагностичних матеріалів, включаючи сенсори для поглинання азоту, наявності хвороб або навіть змін у метаболізмі в реальному часі, відкриваючи нові можливості для розумного сільського господарства та досліджень рослин.
«Нові наночастинки також з часом будуть створені, які інформуватимуть нас про багато інших аспектів здоров’я рослин», – сказав Шепард. «З цією інформацією рослини даватимуть більше, а ми витрачатимемо менше».
Захоплювач листя, інтеграція
Команда зараз досліджує інтеграцію захоплювача на роботизовані руки для автоматизованих тепличних систем, з довгостроковою метою адаптації його для платформ, що можуть бути використані в полях. «Коли це буде переведено з теплиць, наслідки будуть більшими», – сказав Шепард. «Мене особливо цікавить обмеження стічних вод у водойми, щоб запобігти шкідливим цвітінням водоростей». Співавторами є дослідники з Інституту Бойса Томпсона, Школи хімічної та біомолекулярної інженерії Сміта та Школи інтегративної рослинної науки Коледжу сільського господарства та наук про життя. Робота була підтримана Національним науковим фондом, Національним інститутом продовольства та сільського господарства USDA та Науково-технологічною дослідницькою радою Туреччини. Стівен Д’Анджело є менеджером з комунікацій для Корнеллських досліджень та інновацій.
Можливість стежити за новинами у більш стислому форматі в Facebook або Telegram повернутися на головну сторінку