Созданная магия: деревянные носители семян имитируют поведение человека

Aug 08, 2023

То, как семена приживаются в почве, может показаться волшебным. Возьмем несколько сортов эродия, чьи пятилепестковые цветки фиолетового, розового или белого цвета похожи на герань.

Семена этих растений переносятся внутри тонкого, плотно скрученного стебля. Во время дождя или высокой влажности штопорообразный стебель раскручивается и вкручивает семя в почву, где оно может укорениться и находится в безопасности от голодных птиц и суровых условий окружающей среды.

Вдохновленный магией Эродиума, Лайнинг Яо(открывается в новом окне), доцент Купер-Сигела по взаимодействию человека и компьютера в Университете Карнеги-Меллон, работал с командой коллег над созданием биоразлагаемого носителя семян, получившего название E-seed. Их семенной контейнер, изготовленный из деревянного шпона, может обеспечить посев с воздуха в труднодоступных местах, может использоваться для различных семян или удобрений и адаптироваться к самым различным условиям. Это идея, над которой Яо, дочь фермеров, работающих неполный рабочий день, размышляла с тех пор, как получила степень доктора философии. студент Массачусетского технологического института в середине 2010-х годов.

«Захоронение семян десятилетиями тщательно изучалось с точки зрения механики, физики и материаловедения, но до сих пор никто не создал инженерный эквивалент», — сказал Яо, директор Лаборатории трансформации материи (открывается в новом окне) в Школе. из Института компьютерных наук (открывается в новом окне) Института взаимодействия человека и компьютера. (открывается в новом окне) «Исследование носителей семян было особенно полезным из-за его потенциального социального воздействия. Нас волнуют вещи, которые могут иметь благотворный эффект. на природе."

Исследование команды появилось в февральском номере журнала Nature(откроется в новом окне).

Данли Луо, бывший научный сотрудник лаборатории Morphing Matter Lab и ведущий автор статьи в журнале Nature, сказал, что дизайн и конструкция контейнера для семян были вдохновлены механизмом самозахоронения, который эродий развил, адаптируясь к засушливому климату.

Стебель эродия образует плотно скрученное, несущее семена тело с длинным изогнутым хвостом наверху. Когда он начинает раскручиваться, извилистый хвост касается земли, заставляя семенной бункер подняться в вертикальное положение. Дальнейшее разматывание создает крутящий момент для бурения земли, закапывая семена.

Но однохвостый переносчик Эродия хорошо себя чувствует только на расщелинах. Чтобы использовать свои носители E-seed в более широком диапазоне условий, исследовательская группа разработала треххвостую версию (на фото), которая более эффективно поднимается в вертикальное положение.

«Геометрия может улучшить функциональность материалов за пределами того, что предлагает нам природа. Она также делает дизайн универсальным для применения к другим материалам», — сказал Шу Ян, ученый-материаловед и соавтор из Пенсильванского университета.

Исследователи рассмотрели ряд возможных материалов для их носителей, включая гидрогели, бумагу и другие формы переработанной целлюлозы. В конечном итоге они выбрали шпон белого дуба — породы дерева, которая широко распространена в парке Шенли, прилегающем к кампусу CMU в Питтсбурге, — и широко используется в мебели. Как и эродий, виниры реагируют на влагу.

«Семена обладают волшебной реакцией на дождь», — сказал Яо.

Выросшая во Внутренней Монголии, Яо рано усвоила от своих родителей, как важно синхронизировать процесс посева с перспективой дождя. Ее оценка этого момента возросла во время этого проекта, поскольку исследователи провели множество полевых испытаний носителей, а не только лабораторные испытания. Это означало, что им приходилось следить за погодой и срочно отправлять авианосцы на испытательное поле, когда приближался дождь.

Команда разработала пятиэтапный процесс, включающий химическую промывку и механическое формование для изготовления держателей для семян. Хотя носители в настоящее время производятся в лаборатории, исследователи планируют адаптировать процесс к промышленному масштабу.