多年来,作物科学家对植物如何在地面上生长了解了很多,但对根系及其与土壤的相互作用知之甚少。
现在,康奈尔大学的一个项目由两项为期三年的单独拨款资助,该项目将开发蠕虫式的土壤蠕动机器人,用于感知和记录土壤特性、水分、土壤微生物群以及根系如何生长。
由首席研究员(PI)领导的200万美元国家科学基金会(NSF)拨款塔林·鲍尔她是农业与生命科学学院综合植物科学学院园艺系的副教授,将专注于植物和土壤的角度。
与此同时,美国国家科学基金会国家机器人倡议向PI拨款75万美元罗伯特·谢菲尔德他是工程学院西伯利机械与航空航天工程学院的副教授,将开发土壤监测机器人。
该项目将以玉米为重点,最终目标是纳入与根系生长有关的因素,以改进直接影响粮食生产力和安全的育种工作和土壤管理。
Bauerle说:“我们计划开发新的工具,以便能够利用植物和土壤的地下环境,使我们能够在植物和土壤相互作用的黑盒子中发光。”。
“这真的是植物生物学的下一个前沿,”项目合作伙伴PI说迈克尔·戈尔利伯特·海德·贝利(Liberty Hyde Bailey)教授,SIPS植物育种和遗传学部分子育种和遗传学教授。戈尔说,通过量化地下特征,研究人员可以确定与地面特征的关系。
为了获得这些测量结果,该团队将开发1到2英尺的蠕虫状机器人,模拟钻孔如何钻入地面,并结合蠕动运动模拟蠕虫如何在土壤中移动。
谢泼德说:“前面的泥土会松动,后面的泥土会向前推,并将其压入隧道壁中。”。他们计划用一个机器人来收集整排玉米上下的连续数据。
该团队将试验许多传感器和策略。机器人推动土壤的能力可以揭示土壤密度和压实度等特性。机器人还将安装小型温度和湿度传感器。
光纤电缆可以提供一系列测量,包括直接成像根系以测量生长和角度。团队计划使用项目co-PI实验室开发的“AquaDust”亚伯拉罕·斯特洛克Gordon L.Dibble是工程学院史密斯化学和生物分子工程学院的50岁教授。AquaDust根据土壤中的水量发出不同波长的荧光。
光纤还可以测量土壤微生物和根系化学物质的激发和发射波长,包括植物根系渗出的碳化合物。谢泼德说:“我们应该能够大致确定根表面和周围土壤中普遍存在的化学物质和生物。”。
戈尔说,通过量化根系特征、土壤特性、化合物、微生物和水分,研究人员可以使用预测模型结合地下和地上特征来预测粮食产量和抗逆性等。
该项目的另一个目标是评估植物如何应对气候变化的影响,例如水的可用性。根生长的测量,加上环境数据,可以根据外部条件,如干旱,深入了解根是如何生长的。
由于土壤不是无线传输的良好介质,研究人员将测试在内存中记录数据的原型,以便稍后检索。他们还可以通过土壤和一排玉米植株上的电线进行声波通信实验。在项目结束时,研究人员希望在玉米地中展示原型的现场演示。
通过来自康奈尔数字农业倡议赠款。