Magia diseñada: portadores de semillas de madera imitan el comportamiento del yo

Aug 08, 2023

La forma en que las semillas se implantan en el suelo puede parecer mágica. Tome algunas variedades de Erodium, cuyas flores de cinco pétalos de color púrpura, rosa o blanco parecen geranios.

La semilla de estas plantas se transporta dentro de un tallo delgado y bien enrollado. Durante la lluvia o la humedad alta, el tallo con forma de sacacorchos se desenrolla y retuerce la semilla en el suelo, donde puede echar raíces y está a salvo de las aves hambrientas y las duras condiciones ambientales.

Inspirándose en la magia de Erodium, Lining Yao(opens in new window), Profesor Asistente Cooper-Siegel de Interacción Humano-Computadora en la Universidad Carnegie Mellon, trabajó con un equipo de colaboradores para diseñar un portador de semillas biodegradable conocido como E-seed. Su transportador de semillas, fabricado con chapa de madera, podría permitir la siembra aérea en áreas de difícil acceso, y podría usarse para una variedad de semillas o fertilizantes y adaptarse a muchos entornos diferentes. Es una idea que Yao, la hija de granjeros a tiempo parcial, ha reflexionado desde que tenía un doctorado. estudiante en el MIT a mediados de la década de 2010.

"El entierro de semillas se ha estudiado mucho durante décadas en términos de mecánica, física y ciencia de los materiales, pero hasta ahora nadie ha creado un equivalente de ingeniería", dijo Yao, director del Laboratorio de Morphing Matter (se abre en una ventana nueva) en la escuela. de Computer Science(opens in new window)'s Human-Computer Interaction Institute.(opens in new window) "La investigación de portadores de semillas ha sido particularmente gratificante debido a su potencial impacto social. Nos entusiasman las cosas que podrían tener un efecto beneficioso sobre la naturaleza".

La investigación del equipo apareció en la edición de febrero de Nature(opens in new window).

Danli Luo, ex asistente de investigación en el Morphing Matter Lab y autor principal del artículo de Nature, dijo que el diseño y la construcción del portador de semillas se inspiraron en el mecanismo de autoenterrado que Erodium evolucionó a medida que se adaptaba a los climas áridos.

El tallo de Erodium forma un cuerpo portador de semillas fuertemente enrollado con una cola larga y curva en la parte superior. Cuando comienza a desenrollarse, la cola torcida se engancha con el suelo, lo que hace que el portasemillas se levante. El desenrollado adicional crea un par de torsión para perforar el suelo, enterrando la semilla.

Pero el transportador de una cola de Erodium solo funciona bien en suelos con grietas. Para emplear sus portadores de semillas E en una gama más amplia de entornos, el equipo de investigación desarrolló una versión de tres colas (en la foto) que es más eficiente para empujarse en posición vertical.

"La geometría puede mejorar la funcionalidad de los materiales más allá de lo que nos ofrece la naturaleza. También hace que el diseño sea versátil para aplicarse a otros materiales", dijo Shu Yang, científico de materiales y coautor de la Universidad de Pensilvania.

Los investigadores consideraron una serie de posibles materiales para sus vehículos, incluidos hidrogeles, papel y otras formas de celulosa procesada. Finalmente, eligieron chapas de roble blanco, una especie de árbol abundante en Schenley Park, adyacente al campus de CMU en Pittsburgh, y ampliamente utilizado en muebles. Al igual que Erodium, las carillas responden a la humedad.

"Las semillas tienen una respuesta mágica a la lluvia", dijo Yao.

Al crecer en Mongolia Interior, Yao aprendió temprano de sus padres la importancia de sincronizar el proceso de siembra con la perspectiva de lluvia. Su aprecio por ese momento aumentó durante este proyecto, ya que los investigadores realizaron muchas pruebas de campo de los portadores, en lugar de solo pruebas de laboratorio. Eso significaba que tenían que estar atentos al clima, apresurando a los portaaviones a un campo de prueba cuando la lluvia estaba a la vista.

El equipo desarrolló un proceso de cinco pasos que incluía lavado químico y moldeado mecánico para fabricar los portadores de semillas. Aunque los portadores se fabrican actualmente en el laboratorio, los investigadores prevén adaptar el proceso a escala industrial.

"Hacer E-seed a través del diseño digital y métodos de fabricación es crucial para nuestros objetivos a largo plazo", dijo Guanyun Wang, ex investigador postdoctoral en el Morphing Matter Lab que continuó con el proyecto después de asumir un puesto de profesor en la Universidad de Zhejiang.

Además de las semillas, los investigadores demostraron que podían usar los transportadores para transportar nematodos (gusanos que se usan como pesticidas naturales), fertilizantes y hongos. También se está trabajando en su adecuación para la siembra de plántulas.

"Obtener información sobre la mecánica de la madera y la dinámica de la siembra conduce a un mejor diseño y optimización", dijo Teng Zhang, profesor asociado de ingeniería mecánica y aeroespacial en la Universidad de Syracuse, quien realizó modelos y simulaciones para explicar el mecanismo de trabajo de los actuadores de madera y los beneficios del diseño de tres colas de E-seed.

Estas aplicaciones fueron posibles gracias a un estudio de usuarios realizado por Aditi Maheshwari y Andreea Danielescu de Accenture Labs, quienes entrevistaron a expertos en la materia en reforestación, agricultura y gestión de la salud del suelo para informar la aplicabilidad de E-seed en el mundo real.

"Comprender las aplicaciones del mundo real de tecnologías de bioingeniería como E-seed es crucial para avanzar en el diseño ecológico", dijo Maheshwari, director de investigación y desarrollo de Accenture Labs, que trabaja en materiales y entornos sostenibles.

Andreea Danielescu, directora del grupo de investigación y desarrollo de Future Technologies (investigación y desarrollo) en Accenture Labs, dijo que E-seed puede mejorar la resiliencia ecológica.

"Tecnologías como E-seed pueden ayudarnos a abordar problemas del mundo real, ayudándonos a evitar deslizamientos de tierra, reduciendo el impacto de las especies invasoras y mejorando la reforestación de lugares de difícil acceso", dijo Danielescu.

Los portadores también podrían usarse para implantar sensores para monitoreo ambiental. También podrían ayudar en la recolección de energía mediante la implantación de dispositivos que crean corriente en función de las fluctuaciones de temperatura.

"El interés en la investigación de la agricultura, la silvicultura y otras disciplinas ha sido alentador", dijo Yao. Pero quizás uno de los respaldos más importantes provino de una fuente cercana a ella: su padre, el agricultor a tiempo parcial.

"Cuando le mencioné la idea, la entendió de inmediato".

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