Gewaswetenschappers hebben door de jaren heen veel geleerd over hoe planten boven de grond groeien, maar er is veel minder bekend over wortels en hun bodeminteracties. Nu zal een Cornell-project dat wordt gefinancierd door twee afzonderlijke driejarige subsidies, wormachtige, grondzwemmende robots ontwikkelen om bodemeigenschappen, water, het bodemmicrobioom en hoe wortels groeien te detecteren en vast te leggen.
Een subsidie van $ 2 miljoen van de National Science Foundation (NSF) onder leiding van hoofdonderzoeker (PI) Taryn Bauerle, een universitair hoofddocent in de sectie Tuinbouw van de School of Integrative Plant Science (SIPS) in het College of Agriculture and Life Sciences, zal zich richten op de planten en bodemperspectief.
Ondertussen zal een NSF National Robotics Initiative-subsidie van $ 750,000 aan PI Robert Shepherd, universitair hoofddocent aan de Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering in het College of Engineering, de robots voor bodemmonitoring ontwikkelen.
Het project zal zich richten op maïs, met als uiteindelijk doel factoren die verband houden met wortelgroei te integreren om de veredelingsinspanningen en het bodembeheer te verbeteren die rechtstreeks van invloed zijn op de voedselproductiviteit en -zekerheid.
"We zijn van plan nieuwe gereedschappen te ontwikkelen, zodat we de ondergrondse omgeving van planten en aarde kunnen aanboren op een manier die ons in staat stelt om licht te laten schijnen in een zwarte doos met interacties tussen plant en bodem," zei Bauerle.
"Dit is echt de volgende grens in de plantenbiologie", zei projectco-PI Michaël Gore, Liberty Hyde Bailey professor en hoogleraar moleculaire veredeling en genetica in de sectie Plantenveredeling en genetica van SIPS. Door ondergrondse kenmerken te kwantificeren, kunnen de onderzoekers vervolgens relaties met bovengrondse kenmerken identificeren, zei Gore.
Om die metingen te verkrijgen, zal het team wormachtige robots van 1 tot 2 voet ontwikkelen die nabootsen hoe een boor in de grond boort, gecombineerd met een peristaltische beweging die nabootst hoe wormen door de grond bewegen.
"De voorkant maakt het vuil los en de achterkant duwt naar voren en drukt dat vuil tegen een wand van een tunnel", zei Shepherd. Ze zijn van plan om één robot continu gegevens te laten verzamelen over een hele rij maïs.
Het team gaat experimenteren met een aantal sensoren en strategieën. Het vermogen van een robot om door de grond te duwen, kan eigenschappen zoals bodemdichtheid en compactheid onthullen. Ook zullen robots worden uitgerust met kleine temperatuur- en vochtigheidssensoren.
Glasvezelkabels kunnen een hele reeks metingen opleveren, waaronder directe beeldvorming van wortels om groei en hoeken te meten. Het team is van plan om "AquaDust" te gebruiken, ontwikkeld in het laboratorium van project co-PI Abraham Strock, de Gordon L. Dibble '50 Professor aan de Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering aan het College of Engineering. AquaDust fluoresceert in verschillende golflengten op basis van de hoeveelheid water in de bodem.
Vezeloptica zou ook metingen mogelijk kunnen maken van excitatie- en emissiegolflengten van bodemmicro-organismen en wortelchemie, inclusief koolstofverbindingen die worden uitgescheiden door plantenwortels. "We zouden in staat moeten zijn om ongeveer te bepalen welke chemicaliën en organismen aan het worteloppervlak en de omringende bodem voorkomen", zei Shepherd.
Door worteleigenschappen, bodemeigenschappen, verbindingen, micro-organismen en water te kwantificeren, kunnen de onderzoekers voorspellende modellen gebruiken om de eigenschappen onder en boven de grond te combineren om zaken als graanopbrengst en stresstolerantie te voorspellen, zei Gore.
Een ander doel van het project is om te evalueren hoe planten kunnen reageren op effecten van klimaatverandering, zoals de beschikbaarheid van water. Metingen van wortelgroei, rekening houdend met omgevingsgegevens, kunnen inzicht geven in hoe wortels groeien op basis van externe omstandigheden, zoals droogte.
Omdat grond geen goed medium is voor draadloze transmissie, zullen de onderzoekers prototypes testen die data in het geheugen vastleggen om later terug te halen. Ze kunnen mogelijk ook experimenteren met akoestische communicatie via aarde en draden die langs een rij maïsplanten lopen. Aan het einde van het project hopen de onderzoekers live demonstraties van prototypes te laten zien in een korenveld.
Voorbereidend werk werd mogelijk gemaakt door startkapitaal van een Cornell-initiatief voor digitale landbouw verlenen.