仿生攀缘植物的钩状微型叶片植物环境传感器用于监测和精准农业

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保护植物的新可持续战略对于应对环境挑战至关重要。仿生的软和微型机器有可能通过将它们的形态适应植物器官(如叶子)而在森林和农田中运行。然而,由于叶子的脆弱性和异质性以及恶劣的室外条件,在叶子表面上的应用受到限制。而利用钩攀者Galium aparine的强大的剪切依赖性叶片附着力来创建微型系统,该系统能够通过多功能微型钩精确锚定到叶片组织。使用软机器人概念验证演示钩子如何在叶子上实现棘轮式运动。这项研究展示了专门为植物生态系统中的目标应用设计多功能机器的机会。

在 IIT(意大利理工学院)由 Barbara Mazzolai 领导的研究小组创造了有史以来第一个柔软、可生物降解和可溶性尼龙搭扣的原型,其灵感来自叶子的微钩结构“鲶鱼”植物(Galium aparine),用于监测和保护环境以及精准农业的设备。

该研究发表在国际期刊Communications Materials(“用于叶上传感和传递的类似植物的钩状微型机器”)上,展示了人造微型钩如何应用于一系列设备,当这些设备附着在植物叶子上时,充当一种临时膏药,将有益物质释放到植物的维管系统中,或者充当智能夹子,以无线方式传达有关作物植物健康状况的信息。

嵌入叶片的微型机器人

攀缘植物Galium aparine,俗称“牛杂草”,进化出一种特殊的寄生锚定机制,使其能够通过叶子上的微钩爬过其他植物。这些钩子允许它在生长时锚定在其他植物的表面上,利用它们来获得物理支撑。

IIT 的研究人员从形态学和生物力学的角度研究了这些天然微钩的结构,以人工复制它们的特征。这些挂钩是由高分辨率 3D 打印机制成的,采用了一系列高抗性材料,并且具有可适应相关应用的特性,例如由异麦芽酮糖醇(一种类似糖的物质)制成的光敏或可生物降解材料。

“我们的研究总是从观察自然开始,寻求通过对环境影响低的机器人技术复制生物采用的策略”,IIT 机器人学副主任兼 IIT 仿生软机器人实验室负责人 Barbara Mazzolai 评论道。“通过这个最新的研究项目,我们进一步证明了创造创新解决方案是可能的,这些解决方案不仅旨在监测我们星球的健康,特别是植物的健康,而且在不改变它的情况下这样做”。

微型钩结构的锚固能力已经过测试,并被证明能够牢固地附着在一系列植物上。在这种形式的魔术贴的基础上,研究人员想出了许多用于精准农业和环境保护的设备。

一个最初的应用被设计成以一种几乎没有侵入性的方式穿透植物角质层,允许对植物进行监测和治疗。通过附着在植物上,异麦芽酮糖醇微钩可以与叶子的维管系统连接,并且由于异麦芽酮糖醇是可溶的,因此溶解在里面。此应用使微钩作为膏药,可将有益物质、药物、杀虫剂或杀菌剂局部释放到叶子上,优化自然资源的利用,减少农药的过度使用,从而有助于保护生态系统. 此外,一旦涂抹,石膏就会溶解,从而避免产生废物。

使用柔性IPS-MHD 制造的环境机器:

a完全集成的折纸组装设备,嵌入了微印刷挂钩、电子电路、传感器和电池。b, c用于叶片微气候监测的基于 MH 的传感器的图片。d – f在生长室条件下超过 16 小时的 V. labrusca 叶子的光、温度和湿度参数监测的绘图结果。报告了正面和背面 V.lambrusca 叶侧的温度和湿度参数。

通过嵌入微型机器人(基于 MH 的 MiniBot)的 MH 结构在叶片表面上进行棘轮状运动的概念验证演示器。

基于 Microhooks 的 MiniBot 在 V. lambrusca 叶子上。插图:由印在光驱动、重量轻的 MiniBot 脚上的微型钩子实现的互锁机制。当 808 nm 激光击中致动器时,致动器会膨胀,后脚上的微钩会与叶片表面产生摩擦。同时,前脚上的钩子滑落,使演示者能够向前移动,并阻止向后运动。在激光关闭阶段,当流体致动器冷却时,它会收缩。然后前脚的微钩互锁和/或产生足够的摩擦力以保持在执行器膨胀期间获得的位置,而后脚上的钩向前滑动,使机器人能够在叶上移动。

“这些微型挂钩用途广泛,使我们能够创造一系列应用,并申请专利”,IIT 马佐莱小组的研究员,该项目的主要作者 Isabella Fiorello 解释说。“这种锚定形式可用于原位监测植物的微气候,如温度、湿度和光照,或用于将分子受控释放到植物的维管系统中”。

特别是,使用光敏树脂印刷的钩子与电子设备和光、温度和湿度传感器组装在一起,形成一个统一的系统,创建智能夹子,通过叶子的两侧对植物进行无线监控。最后,同样在相同结构的基础上,研究人员提出了一种微型机器人系统,能够使用微步在叶子表面上移动。

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