Los científicos de cultivos a lo largo de los años han aprendido mucho sobre cómo las plantas crecen por encima del suelo, pero se sabe mucho menos sobre las raíces y sus interacciones con el suelo. Ahora, un proyecto de Cornell financiado por dos subvenciones independientes de tres años desarrollará robots que nadan en el suelo con forma de gusanos para detectar y registrar las propiedades del suelo, el agua, el microbioma del suelo y cómo crecen las raíces.
Una subvención de $ 2 millones de la National Science Foundation (NSF) dirigida por la investigadora principal (PI) Taryn Bauerle, profesora asociada en la Sección de Horticultura de la Escuela de Ciencia Integrativa de las Plantas (SIPS) en la Facultad de Agricultura y Ciencias de la Vida, se centrará en la plantas y perspectiva del suelo.
Mientras tanto, una subvención de la Iniciativa Nacional de Robótica NSF de $ 750,000 para PI Robert Shepherd, profesor asociado en la Escuela de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial Sibley en la Facultad de Ingeniería, desarrollará los robots de monitoreo de suelos.
El proyecto se centrará en el maíz, con el objetivo final de incorporar factores relacionados con el crecimiento de las raíces para mejorar los esfuerzos de mejoramiento y manejo del suelo que afectan directamente la productividad y seguridad alimentaria.
"Planeamos desarrollar nuevas herramientas para que podamos aprovechar el entorno subterráneo de las plantas y el suelo de una manera que nos permita hacer brillar la luz en una caja negra de interacciones entre plantas y suelos", dijo Bauerle.
"Esta es realmente la próxima frontera en biología vegetal", dijo el co-PI del proyecto miguel gore, Profesor de Liberty Hyde Bailey y profesor de mejoramiento molecular y genética en la Sección de Mejoramiento Vegetal y Genética del SIPS. Al cuantificar las características subterráneas, los investigadores pueden identificar relaciones con las características aéreas, dijo Gore.
Para adquirir esas medidas, el equipo desarrollará robots parecidos a gusanos de 1 a 2 pies que emulan cómo un taladro perfora el suelo, combinado con un movimiento peristáltico que imita cómo se mueven los gusanos a través del suelo.
“El frente afloja la tierra y la parte trasera empuja hacia adelante y presiona esa tierra en la pared de un túnel”, dijo Shepherd. Planean que un robot recopile datos continuos hacia arriba y hacia abajo en toda una fila de maíz.
El equipo experimentará con varios sensores y estrategias. La capacidad de un robot para atravesar el suelo puede revelar propiedades como la densidad y la compacidad del suelo. Los robots también estarán equipados con pequeños sensores de temperatura y humedad.
Los cables de fibra óptica podrían proporcionar una gran cantidad de mediciones, incluidas imágenes directas de las raíces para medir el crecimiento y los ángulos. El equipo planea emplear "AquaDust" desarrollado en el laboratorio del proyecto co-PI Abraham Strock, profesor Gordon L. Dibble '50 de la Escuela Smith de Ingeniería Química y Biomolecular de la Facultad de Ingeniería. AquaDust emite fluorescencia en diferentes longitudes de onda según la cantidad de agua en el suelo.
La fibra óptica también podría permitir mediciones de longitudes de onda de excitación y emisión de microorganismos del suelo y química de las raíces, incluidos los compuestos de carbono exudados por las raíces de las plantas. "Deberíamos poder determinar aproximadamente qué sustancias químicas y organismos prevalecen en la superficie de la raíz y el suelo circundante", dijo Shepherd.
Al cuantificar las características de las raíces, las propiedades del suelo, los compuestos, los microorganismos y el agua, los investigadores pueden usar modelos predictivos para combinar las características debajo y encima del suelo para predecir cosas como el rendimiento de grano y la tolerancia al estrés, dijo Gore.
Otro objetivo del proyecto será evaluar cómo las plantas podrían responder a los efectos del cambio climático, como la disponibilidad de agua. Las mediciones del crecimiento de las raíces, incluidas en los datos ambientales, pueden proporcionar información sobre cómo crecen las raíces en función de las condiciones externas, como las sequías.
Dado que el suelo no es un buen medio para la transmisión inalámbrica, los investigadores probarán prototipos que registran datos en la memoria para recuperarlos más tarde. También pueden experimentar con la comunicación acústica a través del suelo y los cables que corren a lo largo de una hilera de plantas de maíz. Al final del proyecto, los investigadores esperan mostrar demostraciones en vivo de prototipos en un campo de maíz.
El trabajo preliminar fue posible gracias a la financiación inicial de un Iniciativa de Cornell para la agricultura digital conceder.
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