Wie sich Samen in den Boden einpflanzen, kann magisch erscheinen. Nehmen Sie einige Sorten von Erodium, deren fünfblättrige Blüten in Lila, Rosa oder Weiß wie Geranien aussehen.
Der Samen dieser Pflanzen wird in einem dünnen, eng gewickelten Stiel getragen. Bei Regen oder hoher Luftfeuchtigkeit windet sich der korkenzieherartige Stiel ab 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, der Cooper-Siegel-Assistenzprofessor für Mensch-Computer-Interaktion an der Carnegie Mellon University, mit einem Team von Mitarbeitern an der Entwicklung eines biologisch abbaubaren Samenträgers, der als E-Seed bezeichnet wird.
Ihr aus Holzfurnier gefertigter Samenträger könnte die Aussaat schwer zugänglicher Bereiche 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, nachgedacht hat, seit sie promoviert war. Student am MIT Mitte der 2010er Jahre.
„Die Seed-Bestattung 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 im Human-Computer der School of Computer Science Institut für Interaktion. „Die Samenträgerforschung war wegen ihrer potenziellen sozialen Auswirkungen besonders lohnend. Wir sind begeistert von Dingen, die sich positiv auf die Natur auswirken könnten.“
Die Recherchen des Teams erschienen in Natur.
Danli Luo, ein ehemaliger wissenschaftlicher Mitarbeiter am Morphing Matter Lab und der Hauptautor des Artikels, sagte, Design und Konstruktion des Samenträgers seien von dem Selbstvergrabungsmechanismus inspiriert, den Erodium entwickelte, als es sich an trockene Klimazonen anpasste.
Der Stängel von Erodium bildet einen eng gewundenen, samentragenden Körper mit einem langen, gebogenen Schwanz an der Spitze. Wenn es beginnt, sich abzuwickeln, greift der sich drehende Schwanz in den Boden ein, wodurch sich der Samenträger selbst aufrichtet. Weiteres Abwickeln erzeugt ein Drehmoment, um in den Boden zu bohren und den Samen zu begraben.
Aber der einschwänzige Träger von Erodium funktioniert nur gut auf Böden mit Ritzen. Um ihre E-Seed-Träger in einem breiteren Spektrum von Umgebungen einzusetzen, entwickelte das Forschungsteam eine dreischwänzige Version, die sich effizienter selbst aufrichtet.
„Geometrie kann die Funktionalität der Materialien über das hinaus verbessern, was die Natur uns bietet. Sie macht das Design auch vielseitig für die Anwendung auf andere Materialien“, 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 – eine Baumart, die im Schenley Park neben dem CMU-Campus in Pittsburgh reichlich vorhanden ist – und häufig für Möbel verwendet wird. Veneers reagieren wie Erodium auf Feuchtigkeit.
„Samen haben eine magische Reaktion auf Regen“, sagte Yao.
Yao wuchs in der Inneren Mongolei auf und lernte früh von ihren Eltern, wie wichtig es ist, den Aussaatprozess mit der Aussicht auf Regen zu planen. Ihre Wertschätzung für dieses Timing wuchs während dieses Projekts, da die Forscher statt nur Labortests zahlreiche Feldtests mit den Trägern durchführten. Das bedeutete, dass sie das Wetter im Auge behalten mussten und die Träger bei drohendem Regen zu einem Testfeld eilten.
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, rechnen die Forscher mit einer Anpassung des Prozesses an einen industriellen Maßstab.
„Die Herstellung von E-Seed durch digitale Design- und Herstellungsmethoden ist entscheidend für unsere langfristigen Ziele“, sagte Guanyun Wang, ein ehemaliger Postdoktorand im Morphing Matter Lab, der das Projekt fortsetzte, nachdem er eine Fakultätsposition an der Zhejiang University übernommen hatte.
Zusätzlich zu Samen demonstrierten die Forscher, dass sie die Träger verwenden konnten, um Nematoden (Würmer, die als natürliche Pestizide verwendet werden), Düngemittel und Pilze zu transportieren. Es wird auch daran gearbeitet, sie für das Pflanzen von Setzlingen anzupassen.
Der natürliche Erodium-Samen hat eine unvermeidliche Spaltsuchphase, die sich negativ auf die Bohreffizienz auswirken kann, insbesondere im Fall von relativ flachem Land. Kredit: Natur (2023). DOI: 10.1038/s41586-022-05656-3
„Der Gewinn von Einblicken in die Mechanik der Holz- und Aussaatdynamik 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 Arbeitsmechanismus der Holzaktuatoren zu erklären und die Vorteile des dreischwänzigen Designs von E-Seed.
Diese Anwendungen waren dank einer von Aditi Maheshwari und Andreea Danielescu von Accenture Labs durchgeführten Benutzerstudie möglich, die Fachexperten in den Bereichen Wiederaufforstung, Landwirtschaft und Bodengesundheitsmanagement befragte, um die Anwendbarkeit von E-Saatgut in der realen Welt zu informieren.
„Das Verständnis realer Anwendungen von biotechnischen Technologien wie E-Seed ist entscheidend für die Förderung des ökologischen Designs“, sagte Maheshwari, Forschungs- und Entwicklungsleiter bei Accenture Labs, der an nachhaltigen Materialien und Umgebungen arbeitet.
Danielescu, Direktor der Forschungs- und Entwicklungsgruppe Future Technologies 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 verringern und die Wiederaufforstung schwer zugänglicher Orte zu verbessern“, sagte Danielescu.
Die Träger könnten auch verwendet werden, um Sensoren zur Umweltüberwachung zu implantieren. Sie könnten auch bei der Energiegewinnung helfen, indem sie Geräte implantieren, die Strom basierend auf Temperaturschwankungen erzeugen.
„Das Interesse an der Forschung aus Landwirtschaft, Forstwirtschaft und anderen Disziplinen war ermutigend“, sagte Yao. Aber vielleicht kam eine der wichtigsten Bestätigungen von einer Quelle, die ihr nahe stand: ihrem Vater, dem Teilzeitlandwirt.
„Als ich ihm die Idee erwähnte, hat er sie sofort verstanden.“
Mehr Informationen:
Lining Yao, autonome selbstvergrabende Samenträger für die Luftsaat, Natur (2023). DOI: 10.1038/s41586-022-05656-3. www.nature.com/articles/s41586-022-05656-3