Künstliche Magie: Hölzerne Samenträger ahmen das Verhalten des Selbst nach

Aug 08, 2023

Wie sich Samen in die Erde einnisten, kann magisch wirken. Nehmen Sie einige Erodium-Sorten, deren fünfblättrige Blüten in Lila, Rosa oder Weiß wie Geranien aussehen.

Der Samen dieser Pflanzen wird in einem dünnen, eng gewundenen Stängel getragen. Bei Regen oder hoher Luftfeuchtigkeit entfaltet sich der korkenzieherartige Stiel und dreht den Samen in den Boden, wo er Wurzeln schlagen kann und vor hungrigen Vögeln und rauen Umweltbedingungen geschützt ist.

Inspiriert von Erodiums Magie arbeitete Lining Yao (öffnet in neuem Fenster), Cooper-Siegel-Assistenzprofessor für Mensch-Computer-Interaktion an der Carnegie Mellon University, mit einem Team von Mitarbeitern an der Entwicklung eines biologisch abbaubaren Samenträgers namens E-seed. Ihr aus Holzfurnier gefertigter Samenträger könnte die Aussaat schwer zugänglicher Gebiete aus der Luft ermöglichen und für eine Vielzahl von Samen oder Düngemitteln verwendet und an viele verschiedene Umgebungen angepasst werden. Es ist eine Idee, über die Yao, die Tochter von Teilzeitbauern, schon seit ihrer Doktorarbeit nachgedacht hat. Student am MIT Mitte der 2010er Jahre.

„Die Samenbestattung wird seit Jahrzehnten in Bezug auf Mechanik, Physik und Materialwissenschaften intensiv untersucht, aber bis jetzt hat niemand ein technisches Äquivalent geschaffen“, sagte Yao, Direktor des Morphing Matter Lab(öffnet neues Fenster) an der Schule of Computer Science(opens in new window)'s Human-Computer Interaction Institute.(opens in new window) „Die Seed-Carrier-Forschung war besonders lohnend wegen ihrer potenziellen sozialen Auswirkungen. Wir sind begeistert von Dingen, die eine positive Wirkung haben könnten.“ auf die Natur.“

Die Forschungsergebnisse des Teams erschienen in der Februarausgabe von Nature(öffnet sich in neuem Fenster).

Danli Luo, ein ehemaliger Forschungsassistent am Morphing Matter Lab und Hauptautor des Nature-Artikels, sagte, dass Design und Konstruktion des Samenträgers von dem Selbstvergrabungsmechanismus inspiriert seien, den Erodium bei der Anpassung an trockenes Klima entwickelt habe.

Der Stiel von Erodium bildet einen eng gewundenen, samentragenden Körper mit einem langen, gebogenen Schwanz an der Spitze. Wenn es sich abzuwickeln beginnt, greift der sich drehende Schwanz in den Boden ein, wodurch sich der Saatgutträger aufrichtet. Durch weiteres Abwickeln entsteht ein Drehmoment, um in den Boden zu bohren und das Saatgut zu vergraben.

Der einschwänzige Träger von Erodium funktioniert jedoch nur auf Böden mit Spalten gut. Um ihre E-Seed-Träger in einem breiteren Spektrum von Umgebungen einzusetzen, entwickelte das Forschungsteam eine dreischwänzige Version (im Bild), die sich effizienter aufrichten kann.

„Geometrie kann die Funktionalität der Materialien über das hinaus verbessern, was uns die Natur bietet. Sie macht das Design auch vielseitig und lässt sich auf andere Materialien anwenden“, sagte Shu Yang, Materialwissenschaftler und Co-Autor von der University of Pennsylvania.

Die Forscher betrachteten eine Reihe möglicher Materialien für ihre Träger, darunter Hydrogele, Papier und andere Formen verarbeiteter Zellulose. Sie entschieden sich schließlich für Furniere aus Weißeiche – einer Baumart, die im Schenley Park neben dem CMU-Campus in Pittsburgh häufig vorkommt – und die häufig für Möbel verwendet wird. Furniere reagieren wie Erodium auf Feuchtigkeit.

„Samen reagieren magisch auf Regen“, sagte Yao.

Yao wuchs in der Inneren Mongolei auf und lernte schon früh von ihren Eltern, wie wichtig es ist, die Aussaat zeitlich auf die Aussicht auf Regen abzustimmen. Ihre Wertschätzung für dieses Timing wuchs während dieses Projekts, da die Forscher zahlreiche Feldtests der Träger durchführten und nicht nur Labortests. Das bedeutete, dass sie das Wetter im Auge behalten mussten und die Trägerfahrzeuge bei drohendem Regen schnell zu einem Testfeld bringen mussten.

Das Team entwickelte einen fünfstufigen Prozess, der sowohl chemisches Waschen als auch mechanisches Formen umfasst, um die Samenträger herzustellen. Obwohl die Träger derzeit im Labor hergestellt werden, gehen die Forscher davon aus, dass der Prozess auf einen industriellen Maßstab übertragen werden kann.

„Die Herstellung von E-Seed durch digitale Design- und Fertigungsmethoden ist für unsere langfristigen Ziele von entscheidender Bedeutung“, sagte Guanyun Wang, ein ehemaliger Postdoktorand im Morphing Matter Lab, der das Projekt fortsetzte, nachdem er eine Fakultätsstelle an der Zhejiang-Universität übernommen hatte.

Zusätzlich zu den Samen konnten die Forscher zeigen, dass sie die Träger auch für den Transport von Nematoden (Würmern, die als natürliche Pestizide verwendet werden), Düngemitteln und Pilzen nutzen können. Es wird auch daran gearbeitet, sie für die Anpflanzung von Setzlingen anzupassen.

„Einblick in die Mechanik der Holz- und Saatsaatdynamik führt zu verbessertem Design und Optimierung“, sagte Teng Zhang, außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der Syracuse University, der Modellierungen und Simulationen durchführte, um den Funktionsmechanismus der Holzaktuatoren zu erklären die Vorteile des dreischwänzigen Designs von E-seed.

Möglich wurden diese Anwendungen dank einer Benutzerstudie von Aditi Maheshwari und Andreea Danielescu von Accenture Labs, die Fachexperten aus den Bereichen Wiederaufforstung, Landwirtschaft und Bodengesundheitsmanagement befragten, um die Anwendbarkeit von E-Seed in der realen Welt zu ermitteln.

„Das Verständnis realer Anwendungen von biotechnologischen Technologien wie E-Seed ist entscheidend für die Weiterentwicklung des ökologischen Designs“, sagte Maheshwari, Forschungs- und Entwicklungsleiter bei Accenture Labs, der an nachhaltigen Materialien und Umgebungen arbeitet.

Andreea Danielescu, Direktorin der Forschungs- und Entwicklungsgruppe „Future Technologies“ (Forschung und Entwicklung) bei Accenture Labs, sagte, E-Seed könne die ökologische Widerstandsfähigkeit verbessern.

„Technologien wie E-Seed können uns helfen, reale Probleme anzugehen – sie helfen uns, Erdrutsche zu vermeiden, die Auswirkungen invasiver Arten zu reduzieren und die Wiederaufforstung schwer zugänglicher Orte zu verbessern“, sagte Danielescu.

Die Träger könnten auch zur Implantation von Sensoren zur Umweltüberwachung verwendet werden. Sie könnten auch bei der Energiegewinnung helfen, indem sie Geräte implantieren, die auf der Grundlage von Temperaturschwankungen Strom erzeugen.

„Das Interesse der Land- und Forstwirtschaft sowie anderer Disziplinen an der Forschung war ermutigend“, sagte Yao. Aber vielleicht kam eine der wichtigsten Empfehlungen von einer ihr nahestehenden Quelle: ihrem Vater, dem Nebenerwerbsbauern.

„Als ich ihm von der Idee erzählte, verstand er sie sofort.“

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