Роботы, плавающие в почве, для измерения сельскохозяйственных культур в подземном мире
Ученые-растениеводы за эти годы многое узнали о том, как растения растут над землей, но гораздо меньше известно о корнях и их взаимодействии с почвой. Теперь в рамках проекта Корнелла, финансируемого двумя отдельными трехлетними грантами, будут разработаны роботы, похожие на червяков, плавающих в почве, которые будут определять и регистрировать свойства почвы, воду, микробиом почвы и рост корней.
Грант Национального научного фонда (NSF) в размере 2 миллионов долларов, возглавляемый главным исследователем (PI) Тарин Бауэрле, доцентом секции садоводства Школы интегративных наук о растениях (SIPS) Колледжа сельского хозяйства и наук о жизни, будет сосредоточен на растения и почвенная перспектива.
Между тем, в рамках гранта Национальной робототехнической инициативы NSF в размере 750,000 XNUMX долларов США Роберт Шеперд, адъюнкт-профессор школы механической и аэрокосмической инженерии Сибли Инженерного колледжа, разработает роботов для мониторинга почвы.
В будние дни. Отписаться можно одним щелчком мыши.
Проект будет сосредоточен на кукурузе с конечной целью включения факторов, связанных с ростом корней, для улучшения селекционных мероприятий и управления почвой, которые напрямую влияют на продуктивность и безопасность продуктов питания.
«Мы планируем разработать новые инструменты, чтобы мы могли использовать подземную среду растений и почвы таким образом, чтобы мы могли пролить свет на черный ящик взаимодействия растений и почвы», - сказал Бауэрле.
«Это действительно новый рубеж в биологии растений», - сказал соучредитель проекта. Майкл Гор, Профессор Либерти Хайд Бейли и профессор молекулярной селекции и генетики Секции селекции растений и генетики SIPS. По словам Гор, путем количественной оценки подземных характеристик исследователи могут затем определить взаимосвязь с наземными характеристиками.
Чтобы получить эти измерения, команда разработает 1–2-футовых червеобразных роботов, которые имитируют то, как буровая скважина сверлится в земле, в сочетании с перистальтическим движением, которое имитирует движение червей через почву.
«Передняя часть разрыхляет грязь, а задняя часть толкает вперед и вдавливает грязь в стену туннеля», - сказал Шеперд. Они планируют, что один робот будет непрерывно собирать данные по всему ряду кукурузы.
Команда экспериментирует с рядом датчиков и стратегий. Способность робота проталкивать почву может выявить такие свойства, как плотность и компактность почвы. Роботы также будут оснащены небольшими датчиками температуры и влажности.
Волоконно-оптические кабели могут обеспечить множество измерений, включая прямую визуализацию корней для измерения роста и углов. Команда планирует использовать «AquaDust», разработанную в лаборатории проектного соавтора. Авраам Строок, профессор Гордона Л. Диббла '50 в Школе химической и биомолекулярной инженерии Смита Инженерного колледжа. AquaDust флуоресцирует на разных длинах волн в зависимости от количества воды в почве.
Волоконная оптика также может позволить измерять длины волн возбуждения и излучения почвенных микроорганизмов и химический состав корней, включая соединения углерода, выделяемые корнями растений. «Мы должны быть в состоянии приблизительно определить, какие химические вещества и организмы преобладают на поверхности корней и в окружающей почве», - сказал Шеперд.
По словам Гор, путем количественной оценки характеристик корней, свойств почвы, соединений, микроорганизмов и воды исследователи могут затем использовать прогностические модели для объединения подземных и надземных характеристик для прогнозирования таких показателей, как урожайность зерна и устойчивость к стрессу.
Другой целью проекта будет оценка того, как растения могут реагировать на последствия изменения климата, такие как наличие воды. Измерения роста корней с учетом данных об окружающей среде могут дать представление о том, как корни растут в зависимости от внешних условий, таких как засуха.
Поскольку почва не является хорошей средой для беспроводной передачи данных, исследователи протестируют прототипы, которые записывают данные в память, чтобы их можно было извлечь позже. Они также могут экспериментировать с акустической связью через почву и провода, идущие вдоль ряда растений кукурузы. В конце проекта исследователи надеются продемонстрировать живые демонстрации прототипов на кукурузном поле.
Предварительная работа стала возможной благодаря начальному финансированию от Корнельская инициатива по цифровому сельскому хозяйству предоставить.
