Forscher haben eine neue Art von künstlichem Saatgut erfunden, um Umweltparameter zu erfassen, ohne die Gesundheit der Umwelt zu beeinträchtigen.
Der weiche Roboter mit dem Namen Acer i-Seed ist von natürlichen Acer-Samen inspiriert und kann die Temperatur des Bodens überwachen, indem er leuchtend wird. Es besteht aus einem biokompatiblen und kompostierbaren Material und wurde mit 3D-Drucktechnologien hergestellt. Mit einer Drohne können sie großflächig verteilt und das Gelände aus der Ferne untersucht werden.
Der neue Acer i-Seed war beschrieben im Tagebuch Wissenschaftliche Fortschritte von der Forschungsgruppe um Barbara Mazzolai am Italian Institute of Technology (IIT) in Genua (Italien), in Zusammenarbeit mit dem Leibniz-Institut für Neue Materialien (INM), Saarbrücken, Deutschland.
Der künstliche Samen ahmt das aerodynamische Verhalten des Acer campestre-Samens nach, einer in Europa heimischen Acer-Art. Wenn sie reif sind, lösen sich diese Samen von der Pflanze und werden vom Wind über große Entfernungen getragen und verteilt.
Interessanterweise verfügen diese Samen über ein einflügeliges, besonderes aerodynamisches Design, das es ihnen ermöglicht, sich beim Fallen wie ein Hubschrauberblatt zu drehen. Diese Autorotation verringert die Sinkgeschwindigkeit und ermöglicht, dass das Saatgut länger in der Luft bleibt, wodurch sich die Wahrscheinlichkeit einer Ausbreitung durch Windböen erhöht. Dieselbe Samenart inspirierte möglicherweise das Genie Leonardo Da Vinci zum Entwurf seiner „vite aerea“.
Der weiche Roboter mit dem Namen Acer i-Seed ist von natürlichen Acer-Samen inspiriert und kann die Temperatur des Bodens überwachen, indem er leuchtend wird. Es besteht aus einem biokompatiblen und kompostierbaren Material und wurde mit 3D-Drucktechnologien hergestellt. Mit einer Drohne können sie großflächig verteilt und das Gelände aus der Ferne untersucht werden. Bildnachweis: IIT-Istituto Italiano di Tecnologia
Forscher am IIT arbeiten auf dem Gebiet der bioinspirierten Soft-Robotik, und nachdem die Gruppe die Wachstums- und Bewegungsstrategien der Wurzeln, Kletterpflanzen und Geraniaceae-Samen nachgeahmt hatte, konzentrierte sich die Gruppe auf die Untersuchung der Flug- und Ausbreitungsmerkmale der Strukturen der geflügelte Acer-Samen.
„Diese Studie zeigt, dass die Nachahmung der Strategien oder Strukturen von Lebewesen und deren Replikation in Robotertechnologien Schlüsselelemente sind, um Innovationen mit geringen Umweltauswirkungen in Bezug auf Energie und Umweltverschmutzung zu erzielen“, sagte Barbara Mazzolai, stellvertretende Direktorin für Robotik des IIT und Direktorin des Bioinspired Soft Robotics (BSR) Lab.
Nach der Analyse der Morphologie, Histologie und Aerodynamik der natürlichen Samen entwarfen und realisierten die Forscher das künstliche biomimetische Saatgut. Anschließend entwickelten sie ein biokompatibles und kompostierbares Material auf Basis von Polymilchsäure (PLA) mit eingebetteten ungiftigen, fluoreszierenden Lanthanoidpartikeln, die temperaturempfindlich sind. Schließlich nutzten sie 3D-Drucktechnologien zur Herstellung künstlicher Leuchtsamen.
Die fluoreszierenden, künstlichen, samenähnlichen Flieger könnten möglicherweise von Drohnen eingesetzt werden, die mit fLiDAR (Fluoreszenzlichterkennung und -rangierung) ausgestattet sind und eine ferngesteuerte und verteilte Überwachung der Bodentemperatur und anderer Parameter ermöglichen. Forscher haben den von einer Drohne freigesetzten I-Seed Acer bereits vor Ort getestet und seine Machbarkeit demonstriert.
„Durch die Verlagerung der Sensorik in das Material entfallen Stromquellen und Elektronik, was den Flieger umweltfreundlich und robust macht“, sagt Tobias Kraus, der am INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien – die Entwicklung der Sensormaterialien des Flyers leitet.
Während sich diese Forschung hauptsächlich auf die Wärmesensorik konzentriert, erwägen Forscher in Zukunft den Einbau fluoreszierender Partikel, die auf andere wichtige Umweltparameter wie Luftfeuchtigkeit, CO2-Gehalt oder Schadstoffe reagieren.
Der nächste Schritt wird darin bestehen, mit interessierten Unternehmen zusammenzuarbeiten, um diese neuen Soft-Roboter, die Acer i-Seeds, in größeren Gebieten, beispielsweise auf landwirtschaftlichen Flächen, für eine verteilte, gleichzeitige, drahtlose und umweltfreundliche Umweltanalyse einzusetzen.
Mehr Informationen:
Kliton Cikalleshi et al., Ein gedruckter, lumineszierender Flyer, inspiriert von Pflanzensamen für umweltfreundliche physikalische Wahrnehmung, Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adi8492