Инструменты, которые обеспечивают раннюю и точную оценку здоровья растений и позволяют вносить индивидуальные изменения в культуры, играют ключевую роль в повышении урожайности, поскольку давление окружающей среды все больше влияет на растениеводство. Для умного земледелия ученые создали особенного робота.
Исследователи Корнелльского университета разработали мягкое роботизированное устройство, которое аккуратно захватывает и вводит в живые листья растений датчики, помогающие ему анализировать окружающую среду и стрессы. Робот также может вводить генетический материал, который в будущем может быть использован для биоинженерных растений.
Устройство обеспечивает безопасную, повторяемую доставку датчиков и генетического материала надежным, безопасным для растений способом - важный шаг в точном, управляемом данными сельском хозяйстве. Результаты работы команды опубликованы в журнале Science Robotics.
«Растения, как и люди, по-разному реагируют на окружающую среду, и точное земледелие. И мы хотим приблизиться к вмешательству на уровне отдельного растения и окружающей его среды», - сказал старший автор статьи Роберт Ф. Шепард, профессор Школы машиностроения и аэрокосмической техники Сибли в Корнелльском институте инженерии и руководитель исследований в Центре исследований программируемых растительных систем (Center for Research on Programmable Plant Systems, CROPPS).
Растениеводы, фермеры и агрономы, сталкиваются с растущим давлением со стороны воздействия окружающей среды, такого как засуха и сток удобрений. Имплантируя датчики в листья, исследователи могут отслеживать воздействие засухи или передозировки удобрений на растение.
Для демонстрации команда использовала захват для доставки двух типов зондов. Первый, AquaDust, представляет собой крошечную гелевую частицу, которая флуоресцирует в ответ на водный стресс, позволяя исследователям неинвазивно контролировать уровень гидратации растения. Второй зонд, RUBY, представляет собой кодируемый геном биологический репортер, который вызывает появление красной пигментации там, где внутри растения происходит генетическая трансформация.
«AquaDust позволил нам «увидеть» водный стресс внутри листа, и аналогичным образом, путем инъекции бактерии, которая трансформирует область инъекции с помощью генов-репортеров RUBY, мы смогли «увидеть», что эта часть листа претерпела генетическую трансформацию», - сказал первый автор Мехмет Мерт Ильман, ранее научный сотрудник в Лаборатории органической робототехники, а теперь доцент кафедры машиностроения в Университете Манисы Джеляля Баяра в Турции.
«Было очень интересно иметь возможность с помощью робота преобразовывать локальную генетику листьев растений, а затем наблюдать, как она возвращается к прежнему состоянию», - сказал он.
Исследователи протестировали устройство на листьях подсолнечника и хлопчатника - растениях, известных своей структурной устойчивостью к инфильтрации. Захват достиг более 91% успеха в доставке, нанося при этом значительно меньший ущерб, чем методы на основе шприца, и расширяя эффективную область инфильтрации более чем в 12 раз.
Мягкая роботизированная система работает без помощи рук, подает материалы более равномерно и не наносит практически никакого ущерба. Эта технология является улучшением по сравнению с традиционными ручными методами, такими как вакуумная инфильтрация, которая использует низкое давление воздуха для впрыскивания жидкостей в ткани растений, или инъекции иглами, которые могут повредить листья, являются трудоемкими и часто неэффективны для жестких типов растений. Это особенно важно для садовых культур, выращиваемых ради фруктов, овощей, цветов.
Устройство оказывает мягкое, равномерное давление через губчатый наконечник, который удерживает наночастицы или генетические зонды. Конструкция мягкого материала и привода (часть машины, которая производит силу или крутящий момент) были оптимизированы с помощью программного обеспечения для моделирования и 3D-печати, что позволяет захвату функционировать с различными типами и формами листьев.
«Его низкая жесткость позволяет ему деформировать форму захвата, чтобы адаптироваться к ориентации и поверхности листа с небольшими последствиями для здоровья листа. Форма выдвижного привода допускала большое смещение и возможность регулировать ориентацию без громоздкого или сложного управления двигателем», - пояснил Шепард.
По словам Шепарда, исследование закладывает основу для малоинвазивного мониторинга растений в режиме реального времени: «Мягкие захваты для введения физических или биологических зондов открывают новые и невероятные возможности. Непосредственное использование нашей системы, скорее всего, будет в теплицах, где робот будет постоянно вводить и контролировать отдельные растения, чтобы сделать вывод о том, сколько воды им нужно».
В долгосрочной перспективе аналогичные захваты можно будет использовать для доставки или извлечения других диагностических материалов, включая датчики поглощения азота, датчики наличия заболеваний или даже изменений метаболизма в реальном времени, что откроет новые возможности для интеллектуального сельского хозяйства и исследований растений.
«В конечном итоге будут созданы новые наночастицы, которые дадут нам информацию о многих других аспектах здоровья растений. С этой информацией растения будут давать больше урожая, и мы будем меньше тратить», - сказал Шепард.
В настоящее время группа изучает возможность интеграции захвата в роботизированные руки для автоматизированных тепличных систем, имея в долгосрочной перспективе цель адаптировать его для платформ, развертываемых в полевых условиях.
«После того, как мы перейдем от теплиц, последствия будут значительнее. Я особенно заинтересован в ограничении сброса отходов в озера, чтобы предотвратить вредоносное цветение водорослей», - заключил Шепард.
Соавторами являются исследователи из Института Бойса Томпсона, Школы химической и биомолекулярной инженерии Смита и Школы интегративной растениеводства Колледжа сельского хозяйства и наук о жизни.
Источник: Cornell University. Автор: Стивен Д`Анджело.