Magia diseñada: los portadores de semillas de madera imitan el comportamiento de uno mismo

Oct 05, 2023

La forma en que las semillas se implantan en el suelo puede parecer mágica. Tomemos como ejemplo 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. Cuando llueve o hay mucha humedad, el tallo en forma de sacacorchos se desenrolla y retuerce la semilla en el suelo, donde puede echar raíces y está a salvo de los pájaros hambrientos y de las duras condiciones ambientales.

Inspirándose en la magia de Erodium, Lining Yao (se abre en una ventana nueva), profesor asistente Cooper-Siegel de interacción persona-computadora en la Universidad Carnegie Mellon, trabajó con un equipo de colaboradores para diseñar un portador de semillas biodegradable conocido como E-seed. Su portador 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, hija de agricultores a tiempo parcial, ha reflexionado desde que obtuvo su doctorado. estudiante en el MIT a mediados de la década de 2010.

"El entierro de semillas se ha estudiado intensamente durante décadas en términos de mecánica, física y ciencia de materiales, pero hasta ahora, nadie ha creado un equivalente en ingeniería", dijo Yao, director del Laboratorio de Transformación de Materia (se abre en una ventana nueva) en la Escuela. del Instituto de Interacción Humano-Computadora de Ciencias de la Computación (se abre en una ventana nueva). (Se abre en una ventana nueva) "La investigación sobre portadores de semillas ha sido particularmente gratificante debido a su impacto social potencial. 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 (se abre en una ventana nueva).

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 transportador de semillas se inspiraron en el mecanismo de autoenterramiento que evolucionó Erodium al adaptarse a climas áridos.

El tallo de Erodium forma un cuerpo fuertemente enrollado que transporta semillas con una cola larga y curva en la parte superior. Cuando comienza a desenrollarse, la cola retorcida se engancha con el suelo, lo que hace que el transportador de semillas se empuje hacia arriba. Un mayor desenrollado crea torsión para perforar el suelo, enterrando la semilla.

Pero el portador de una cola de Erodium sólo funciona bien en suelos con grietas. Para emplear sus transportadores 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 erguirse.

"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 ser aplicado a otros materiales", dijo Shu Yang, científico de materiales y coautor de la Universidad de Pensilvania.

Los investigadores consideraron varios materiales posibles para sus soportes, incluidos hidrogeles, papel y otras formas de celulosa procesada. Finalmente eligieron chapas de roble blanco, una especie de árbol que abunda en Schenley Park, adyacente al campus de CMU en Pittsburgh, y que se utilizan ampliamente 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 creció 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 y llevar los portaaviones a un campo de pruebas cuando se avecinaba lluvia.

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

"Fabricar semillas electrónicas mediante métodos de diseño y fabricación digitales es crucial para nuestros objetivos a largo plazo", afirmó Guanyun Wang, ex investigador postdoctoral en el Morphing Matter Lab que continuó en el proyecto después de asumir un puesto docente en la Universidad de Zhejiang.

Además de las semillas, los investigadores demostraron que podían utilizar los transportadores para transportar nematodos (gusanos utilizados como pesticidas naturales), fertilizantes y hongos. También se está trabajando en su adaptación para la plantación de plantones.

"Obtener conocimientos 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 reforestación, agricultura y gestión de la salud del suelo para informar sobre 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 I+D (investigación y desarrollo) de Future Technologies de Accenture Labs, dijo que las semillas electrónicas pueden mejorar la resiliencia ecológica.

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

Los portadores también podrían usarse para implantar sensores para el 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 en agricultura, silvicultura y otras disciplinas ha sido alentador", afirmó Yao. Pero quizás uno de los respaldos más importantes provino de una fuente cercana a ella: su padre, un granjero a tiempo parcial.

"Cuando le comenté la idea, la entendió inmediatamente".

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