Gli scienziati del raccolto nel corso degli anni hanno imparato molto su come le piante crescono dal suolo, ma si sa molto meno sulle radici e sulle loro interazioni con il suolo. Ora, un progetto Cornell finanziato da due distinte sovvenzioni triennali svilupperà robot che nuotano nel suolo simili a vermi per rilevare e registrare le proprietà del suolo, l'acqua, il microbioma del suolo e il modo in cui crescono le radici.
Una sovvenzione da 2 milioni di dollari della National Science Foundation (NSF) guidata dal ricercatore principale (PI) Taryn Bauerle, professore associato nella sezione di orticoltura della School of Integrative Plant Science (SIPS) presso il College of Agriculture and Life Sciences, si concentrerà sul piante e prospettiva del suolo.
Nel frattempo, una sovvenzione di $ 750,000 della National Robotics Initiative NSF a PI Robert Shepherd, professore associato presso la Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering presso il College of Engineering, svilupperà i robot per il monitoraggio del suolo.
Il progetto si concentrerà sul mais, con l'obiettivo finale di incorporare fattori legati alla crescita delle radici per migliorare gli sforzi di allevamento e la gestione del suolo che influenzano direttamente la produttività e la sicurezza alimentare.
"Abbiamo in programma di sviluppare nuovi strumenti in modo da poter attingere all'ambiente sotterraneo di piante e suolo in un modo che ci consenta di far brillare la luce in una scatola nera di interazioni tra piante e suolo", ha detto Bauerle.
"Questa è davvero la prossima frontiera della biologia vegetale", ha detto il co-PI del progetto Michele Gore, Liberty Hyde Bailey professore e professore di allevamento molecolare e genetica nella sezione di genetica e allevamento di piante del SIPS. Quantificando le caratteristiche del sottosuolo, i ricercatori possono quindi identificare le relazioni con le caratteristiche del suolo, ha detto Gore.
Per acquisire queste misurazioni, il team svilupperà robot simili a vermi da 1 a 2 piedi che emulano il modo in cui un foro perfora nel terreno, combinato con un movimento peristaltico che imita il modo in cui i vermi si muovono attraverso il suolo.
"La parte anteriore scioglie lo sporco e la parte posteriore spinge in avanti e spinge quella sporcizia in un muro di un tunnel", ha detto Shepherd. Prevedono che un robot raccolga dati continui su e giù per un'intera fila di mais.
Il team sperimenterà una serie di sensori e strategie. La capacità di un robot di spingere attraverso il suolo può rivelare proprietà come la densità e la compattezza del suolo. I robot saranno inoltre dotati di piccoli sensori di temperatura e umidità.
I cavi in fibra ottica potrebbero fornire una serie di misurazioni, inclusa l'imaging diretto delle radici per misurare la crescita e gli angoli. Il team prevede di impiegare "AquaDust" sviluppato nel laboratorio del progetto co-PI Abramo Strock, Professore Gordon L. Dibble '50 presso la Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering del College of Engineering. AquaDust emette una fluorescenza a diverse lunghezze d'onda in base alla quantità di acqua nel terreno.
Le fibre ottiche potrebbero anche consentire misurazioni delle lunghezze d'onda di eccitazione ed emissione dei microrganismi del suolo e delle sostanze chimiche delle radici, compresi i composti di carbonio essudati dalle radici delle piante. "Dovremmo essere in grado di determinare approssimativamente quali sostanze chimiche e organismi sono prevalenti sulla superficie delle radici e nel suolo circostante", ha detto Shepherd.
Quantificando le caratteristiche delle radici, le proprietà del suolo, i composti, i microrganismi e l'acqua, i ricercatori possono quindi utilizzare modelli predittivi per combinare le caratteristiche del suolo e del suolo per prevedere cose come la resa in granella e la tolleranza allo stress, ha detto Gore.
Un altro obiettivo del progetto sarà valutare come le piante potrebbero rispondere agli effetti del cambiamento climatico, come la disponibilità di acqua. Le misurazioni della crescita delle radici, prese in considerazione con i dati ambientali, possono fornire informazioni su come crescono le radici in base alle condizioni esterne, come la siccità.
Poiché il suolo non è un buon mezzo per la trasmissione wireless, i ricercatori testeranno prototipi che registrano i dati in memoria, per essere recuperati in seguito. Possono anche essere in grado di sperimentare la comunicazione acustica attraverso il suolo e fili che corrono lungo una fila di piante di mais. Alla fine del progetto, i ricercatori sperano di mostrare dimostrazioni dal vivo di prototipi in un campo di grano.
Il lavoro preliminare è stato reso possibile dal finanziamento iniziale di a Iniziativa Cornell per l'agricoltura digitale concedere.