工学的に作られた魔法: 木製の種子運搬器が自己の行動を模倣する

Aug 08, 2023

種子がどのようにして土壌に着床するのかは、魔法のように思えるかもしれません。 紫、ピンク、または白の 5 枚の花びらの花がゼラニウムのように見えるエロディウムの品種をいくつか取り上げてみましょう。

これらの植物の種子は、細くしっかりと巻かれた茎の中に運ばれます。 雨が降ったり、湿度が高くなったりすると、コルク栓抜きのような茎がほどけて種子を土壌にねじり込み、そこで根を張り、飢えた鳥や過酷な環境条件から身を守ることができます。

エロディウムの魔法に触発されて、カーネギー メロン大学のヒューマン コンピューター インタラクションのクーパー シーゲル助教授であるリニング ヤオ (新しいウィンドウで開きます) は、共同研究者のチームと協力して、E シードと呼ばれる生分解性の種子キャリアを設計しました。 木製のベニヤで作られた種子キャリアは、アクセスが難しい地域への空中播種を可能にし、さまざまな種子や肥料に使用でき、さまざまな環境に適応できます。 これは、兼業農家の娘であるヤオさんが博士課程の頃から考えてきたアイデアだ。 2010年代半ばのMITの学生。

同校モーフィングマターラボ(opens in new window)のヤオ所長は、「種子の埋設は力学、物理学、材料科学の観点から何十年にもわたって盛んに研究されてきたが、これまで工学的に同等のものを作成した人はいない」と述べた。コンピュータ サイエンスのヒューマン コンピュータ インタラクション研究所(新しいウィンドウで開きます)。(新しいウィンドウで開きます) 「シード キャリアの研究は、潜在的な社会的影響があるため、特にやりがいがあります。私たちは、有益な効果をもたらす可能性のあることに興奮しています。」自然について。」

研究チームの研究は、『Nature』誌(新しいウィンドウで開きます)の2月号に掲載されました。

モーフィング・マター・ラボの元研究助手でネイチャー論文の筆頭著者であるダンリ・ルオ氏は、種子キャリアの設計と建設は、エロディウムが乾燥気候に適応するにつれて進化した自己埋没機構からインスピレーションを得たと語った。

エロディウムの茎は、種子を運ぶしっかりと巻かれた体を形成し、その上部には長く湾曲した尾が付いています。 巻き戻り始めると、ねじれた尾部が地面と接触し、種子運搬体が押し上げられて直立します。 さらに巻き戻すとトルクが発生して地面にドリルダウンされ、種子が埋められます。

しかし、エロディウムの片尾キャリアは、亀裂のある土壌でのみ効果を発揮します。 E シードキャリアをより広範囲の環境で使用するために、研究チームは、より効率的に直立させることができる 3 尾バージョン (写真) を開発しました。

「幾何学は、自然が私たちに提供するものを超えて材料の機能性を高めることができます。また、幾何学により、他の材料に適用できるデザインの多用途性も実現します」と、材料科学者で共著者であるペンシルベニア大学のShu Yang氏は述べています。

研究者らは、ヒドロゲル、紙、その他の加工セルロースなど、担体として考えられる多くの材料を検討しました。 彼らは最終的に、ピッツバーグのCMUキャンパスに隣接するシェンリーパークに豊富に存在する樹種であり、家具に広く使用されているホワイトオークの単板を選択しました。 エロディウムと同様に、ベニヤは湿気に反応します。

「種子は雨に対して魔法のような反応を示します」とヤオ氏は言う。

内モンゴルで育ったヤオさんは、雨が降る可能性を考慮して種まきのタイミングを計ることの重要性を両親から早くから学びました。 このプロジェクトでは、研究者らが実験室でのテストだけでなく、キャリアのフィールドテストを数多く行ったため、そのタイミングに対する彼女の感謝の気持ちが高まりました。 つまり、雨が降りそうなときには空母を試験場に急行させ、天候に注意を払う必要があった。

研究チームは、シードキャリアを製造するための化学的洗浄と機械的成形の両方を含む5段階のプロセスを開発した。 現在、キャリアは研究室で製造されていますが、研究者らはこのプロセスを産業規模に適応させることを期待しています。

「デジタル設計と製造方法による電子シードの作成は、私たちの長期目標にとって極めて重要です」と、浙江大学の教員に就任した後もこのプロジェクトを続けた、モーフィングマター研究室の元博士研究員であるグアンユン・ワン氏は語った。

研究者らは、種子に加えて、このキャリアを使用して線虫（天然殺虫剤として使用される虫）、肥料、菌類を輸送できることを実証した。 苗を植えるのに適応させる作業も進行中です。

シラキュース大学機械・航空宇宙工学准教授のテン・チャン氏は、「木材の仕組みと種子の掘削力学について洞察を得ることが、設計の改善と最適化につながる」と述べ、木材アクチュエータの動作メカニズムとシミュレーションを説明するためにモデリングとシミュレーションを行った。イーシードのスリーテールデザインの利点。

これらの応用は、アクセンチュア研究所のアディティ・マヘシュワリ氏とアンドレア・ダニレスク氏が実施したユーザー調査のおかげで可能となりました。彼らは、現実世界におけるEシードの適用可能性を知るために、植林、農業、土壌健康管理の対象分野の専門家にインタビューしました。

持続可能な材料と環境に取り組むアクセンチュア研究所の研究開発主任マヘシュワリ氏は、「Eシードのような生物工学技術の実世界への応用を理解することは、生態学的設計を進める上で極めて重要だ」と述べた。

Accenture LabsのFuture Technologies R&Dグループ（研究開発）ディレクターのAndreea Danielescu氏は、Eシードは生態系の回復力を向上させることができると述べた。

「Eシードのようなテクノロジーは、現実世界の問題に対処するのに役立ちます。地滑りを回避し、外来種の影響を軽減し、到達困難な場所の植林を改善するのに役立ちます」とダニレスク氏は述べた。

このキャリアは、環境モニタリング用のセンサーの埋め込みにも使用できます。 また、温度変動に基づいて電流を生成するデバイスを埋め込むことで、エネルギーハーベスティングを支援する可能性もあります。

「農業、林業、その他の分野からの研究への関心が励みになっています」とヤオ氏は語った。 しかし、おそらく最も重要な支持の 1 つは、彼女に近い関係者、つまり兼業農家である彼女の父親からのものでした。

「私がそのアイデアを彼に話したところ、彼はすぐに理解してくれました。」

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