Первые экологичные люминесцентные искусственные семена для мониторинга температуры почвы с помощью дронов

Исследователи создали новый тип искусственного семени для дистанционного зондирования параметров окружающей среды без вреда для экосистемы.

Мягкий робот, названный Acer i-Seed, вдохновлён природными семенами клёна (Acer) и способен контролировать температуру почвы, становясь люминесцентным. Он изготовлен из биосовместимого и компостируемого материала с использованием технологий 3D-печати. Для их распределения на больших территориях и дистанционного изучения местности можно использовать дрон.

Новая разработка описана в журнале Science Advances исследовательской группой под руководством Барбары Маццолай из Итальянского технологического института (IIT) в Генуе (Италия) в сотрудничестве с Институтом новых материалов Лейбница (INM) в Саарбрюккене (Германия).

Искусственное семя воспроизводит аэродинамическое поведение семени Acer campestre — вида клёна, произрастающего в Европе. При созревании эти семена отделяются от растения и разносятся ветром на большие расстояния.

Интересно, что эти семена используют особую монокрылую аэродинамическую конструкцию, которая позволяет им вращаться, как лопасть вертолёта, при падении. Это авторотация снижает скорость снижения и позволяет семени дольше оставаться в воздухе, увеличивая шансы на рассеивание порывами ветра. Возможно, именно этот вид семян вдохновил гения Леонардо да Винчи на создание эскиза его «воздушного винта».

Исследователи IIT работают в области биоинспирированной мягкой робототехники. После имитации стратегий роста и движения корней, лазающих растений и семян гераниевых, группа сосредоточилась на изучении особенностей полёта и рассеивания крылатых семян клёна.

«Это исследование демонстрирует, что подражание стратегиям или структурам живых существ и их воспроизведение в робототехнических технологиях являются ключевыми элементами для получения инноваций с низким воздействием на окружающую среду с точки зрения энергии и загрязнения», — заявила Барбара Маццолай, заместитель директора по робототехнике IIT и руководитель лаборатории биоинспирированной мягкой робототехники (BSR).

После анализа морфологии, гистологии и аэродинамики природных семян исследователи спроектировали и создали искусственное биомиметическое семя. Затем они разработали биосовместимый и компостируемый материал на основе полилактида (PLA) со встроенными нетоксичными люминесцентными частицами лантаноидов, чувствительными к температуре. Наконец, для изготовления искусственных люминесцентных семян были использованы технологии 3D-печати.

Люминесцентные искусственные семена-летуны потенциально могут распространяться дронами, оснащёнными fLiDAR (флуоресцентный лидар), что позволяет осуществлять удалённый и распределённый мониторинг температуры почвы и других параметров. Исследователи уже провели полевые испытания I-Seed Acer, распылённого с помощью дрона, подтвердив его работоспособность.

«Перенос сенсора в сам материал устраняет необходимость в источниках питания и электронике, делая летун экологичным и надёжным», — говорит Тобиас Краус, руководитель разработки сенсорных материалов для летуна в INM.

Хотя данное исследование в основном сосредоточено на тепловом зондировании, в будущем учёные рассматривают возможность включения флуоресцентных частиц, чувствительных к другим важным параметрам окружающей среды, таким как влажность, уровень CO₂ или загрязняющие вещества.

Следующим шагом станет сотрудничество с заинтересованными компаниями для применения этих новых мягких роботов, Acer i-Seed, на более обширных территориях, например, сельскохозяйственных угодьях, для проведения распределённого, одновременного, беспроводного и экологичного анализа окружающей среды.