生分解性材料の幾何学的設計とエンジニアリングにより、空中散布の多様性と効率性を向上させることが可能 Geometric Design and Engineering of Biodegradable Materials Could Improve Versatility, Efficiency of Aerial Seeding
2023-02-15 カーネギーメロン大学
◆カーネギーメロン大学のクーパー・シーゲル助教授（ヒューマンコンピューターインタラクション）は、エロジウムの魔法に触発され、共同研究者とともに、生分解性の種子運搬具（E-seed）を開発しました。木製のベニア板から作られたこの種子運搬体は、アクセスが困難な場所への空中播種を可能にし、さまざまな種子や肥料に使用でき、さまざまな環境に適応することができる。兼業農家の娘であるヤオが、2010年代半ばにMITの博士課程に在籍していたときから考えていたアイデアです。
◆チームの研究は、「Nature」誌2月号に掲載されました。
◆エロイディウムの茎は、種子を運ぶために固く巻かれた体を形成し、上部には長く湾曲した尾がある。茎が巻き戻されると、ねじれた尾部が地面と接触し、種子を運ぶ本体が直立する。さらに巻き戻すとトルクが発生し、地面に穴を開け、種子を埋める。
◆しかし、エローディウムのワンテール・キャリア方法は、隙間のある土壌でしか有効でない。そこで研究チームは、より幅広い環境でE-seedキャリアを使用できるように、より効率的に自らを直立させることができる3本の尾を持つタイプを開発した。
◆研究チームは、化学的洗浄と機械的成形の両方を含む5段階の工程を経て、種子キャリアを製造しました。現在は実験室で製造していますが、研究チームはこのプロセスを工業規模に適応させることを想定しています。
◆研究者たちは、種子だけでなく、線虫（天然の農薬として使われる虫）や肥料、菌類を運ぶ担体として使えることを実証した。また、苗の植え付けにも応用できるよう、現在研究が進められています。
◆また、環境モニタリングのためのセンサーを埋め込むのにも使えるかもしれません。また、温度の変動に応じて電流を流す装置を埋め込むことで、エネルギーハーベスティングを支援することもできるかもしれません。
＜関連情報＞
- https://www.cs.cmu.edu/news/2023/engineered-magic
- https://www.nature.com/articles/s41586-022-05656-3
空中播種用自律型自己埋設型種子運搬車 Autonomous self-burying seed carriers for aerial seeding
Danli Luo,Aditi Maheshwari,Andreea Danielescu,Jiaji Li,Yue Yang,Ye Tao,Lingyun Sun,Dinesh K. Patel,Guanyun Wang,Shu Yang,Teng Zhang & Lining Yao
Nature Published:15 February 2023
DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-022-05656-3
Abstract
Aerial seeding can quickly cover large and physically inaccessible areas1 to improve soil quality and scavenge residual nitrogen in agriculture2, and for postfire reforestation3,4,5 and wildland restoration6,7. However, it suffers from low germination rates, due to the direct exposure of unburied seeds to harsh sunlight, wind and granivorous birds, as well as undesirable air humidity and temperature1,8,9. Here, inspired by Erodium seeds10,11,12,13,14, we design and fabricate self-drilling seed carriers, turning wood veneer into highly stiff (about 4.9 GPa when dry, and about 1.3 GPa when wet) and hygromorphic bending or coiling actuators with an extremely large bending curvature (1,854 m−1), 45 times larger than the values in the literature15,16,17,18. Our three-tailed carrier has an 80% drilling success rate on flat land after two triggering cycles, due to the beneficial resting angle (25°–30°) of its tail anchoring, whereas the natural Erodium seed’s success rate is 0%. Our carriers can carry payloads of various sizes and contents including biofertilizers and plant seeds as large as those of whitebark pine, which are about 11 mm in length and about 72 mg. We compare data from experiments and numerical simulation to elucidate the curvature transformation and actuation mechanisms to guide the design and optimization of the seed carriers. Our system will improve the effectiveness of aerial seeding to relieve agricultural and environmental stresses, and has potential applications in energy harvesting, soft robotics and sustainable buildings.
