Природоподобные технологии популярны для создания сельскохозяйственных роботов, и вот пример: съедобные роботы-водомерки выполняют роль динамических микролабораторий. Они мониторят три критически важных параметра, которые определяют здоровье риса и урожайность.
Это исследование, проведенное под руководством профессора Дарио Флореано называется «Edible aquatic robots with Marangoni propulsion» («Съедобные водные роботы с двигателем Марангони»). Работа была выполнена командой из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL, Швейцария) в рамках масштабного европейского проекта RoboFood.
Эксперимент доказал, что робототехника может полностью отказаться от пластика и металлов, создавая «одноразовые» датчики, которые растворяются без вреда для природы.
Чтобы прибор был прочным, но съедобным, инженеры использовали особую рецептуру. Основой корпуса послужил концентрированный сублимированный корм для рыб. Чтобы робот длиной около 5 см держал форму на воде и не размокал раньше времени, ученые увеличили содержание растительного белка на 30% и снизили количество жиров на 8%. Плавающие элементы, лопасти и поплавки, отлиты из желатина и пищевого воска.
В таком роботе нет привычных винтов, электромоторов или литий-ионных батарей. Он движется за счет физического эффекта, которым в природе пользуются насекомые-водомерки, — эффекта Марангони (перемещения жидкости из зоны с низким поверхностным натяжением в зону с высоким).
Внутри корпуса робота есть крошечная камера с топливом. Топливом служит безопасный для фауны сурфактант (пав) — в данном случае раствор на основе пищевого спирта. Попадая на водную гладь рисового чека, робот начинает медленно и дозированно выделять этот раствор через хвостовую часть. Спирт резко снижает поверхностное натяжение воды позади робота. Чистая вода впереди, обладая более высоким натяжением, буквально «утягивает» робота вперед, заставляя его автономно скользить по поверхности.
Меняя геометрию выводящих каналов (асимметрию), ученые создали версии роботов для «левого» и «правого» поворота, что позволяет им хаотично рассредотачиваться по всему рисовому полю подобно живым водомеркам.
На этапе лабораторных тестов ученые EPFL интегрировали в желатиновую структуру биоразлагаемые датчики (на основе солей и углеродных дорожек), фиксирующие температуру и кислотность (pH). Они работают как пассивные индикаторы: при изменении химического состава воды робот слегка меняет цвет или оптические свойства, что фиксируется пролетающими над рисовым полем сельскохозяйственными дронами.
Роботов Дарио Флореано, в отличие от традиционных электронных датчиков, собирать не нужно. После того как запас спирта иссякает (через несколько часов активного плавания), запускается процесс автолиза. Желатин и корм начинают впитывать воду и размягчаться. Локальная экосистема поля воспринимает роботов как пищу: их без вреда для здоровья съедают рыбы (которые часто живут в рисовых чеках) или водоплавающие птицы. Если робота никто не съел, он за несколько дней полностью растворяется, распадаясь на азотистые соединения, и служит отличным органическим удобрением для корневой системы риса.
Что измеряют роботы-водомерки в рисовом поле
1. Уровень кислотности воды (pH). Роботы фиксируют колебания pH воды в диапазоне от 5.5 до 8.5.
Для риса оптимальная кислотность воды составляет 6.0–7.0. Если pH падает (вода закисляется), корни риса перестают усваивать фосфор и азот, а токсичный для растений алюминий активизируется. Если pH растет (вода защелачивается), это сигнализирует о бурном росте сорных водорослей, которые забирают у риса кислород.
2. Температурные аномалии стоячей воды. Роботы фиксируют температуру верхнего слоя воды (водного зеркала) с точностью до 0.5 °C.
Вода на рисовых чеках работает как тепловой буфер. Если ночью вода становится слишком холодной (ниже 15 °C), развитие колоса замедляется. Если днем она перегревается выше 35 °C, корни начинают буквально «вариться», что приводит к корневой гнили. Роботы наносят на карту поля зоны застоя горячей или холодной воды, подсказывая фермеру, где нужно усилить циркуляцию или долить свежую воду.
3. Биологические маркеры присутствия вредителей (индикация инвазий). Роботы измеряют наличие специфических ферментов и соединений, выделяемых личинками насекомых в воду.
Основные враги риса — рисовая огневка и цикадки. Их личинки подгрызают стебли прямо у кромки воды. Ученые интегрировали в корпус робота биосенсоры, которые реагируют на микродозы хитиназы и других экскретов вредителей. Робот меняет цвет (эффект лакмусовой бумажки) в тех местах, где концентрация вредителей превышена, позволяя дронам сверху заметить локальный очаг заражения до того, как пострадает все поле.
По сути, эти роботы собирают «химическую карту» воды на поле. Дроны фотографируют плывущих водомерок сверху, фиксируют их цвет или оптический сигнал и выдают фермеру готовый отчет: где нужно подкормить рис, а где срочно обработать от вредителей.
Источник: Nature Communications.