Para saintis tanaman selama bertahun-tahun telah mengetahui banyak tentang bagaimana tumbuh-tumbuhan tumbuh di atas tanah, tetapi lebih kurang diketahui mengenai akar dan interaksi tanah mereka. Sekarang, projek Cornell yang dibiayai oleh dua hibah tiga tahun yang terpisah akan mengembangkan robot seperti cacing, berenang tanah untuk merasakan dan merekod sifat tanah, air, mikrobioma tanah dan bagaimana akar tumbuh.
Geran Yayasan Sains Nasional (NSF) bernilai $ 2 juta yang diketuai oleh penyiasat utama (PI) Taryn Bauerle, seorang profesor bersekutu di Bahagian Hortikultur di Sekolah Sains Tanaman Integratif (SIPS) di Kolej Pertanian dan Sains Hayat, akan memberi tumpuan kepada perspektif tanaman dan tanah.
Sementara itu, geran Inisiatif Robotik Nasional NSF bernilai $ 750,000 kepada PI Robert Shepherd, profesor bersekutu di Sekolah Kejuruteraan Mekanikal dan Aeroangkasa Sibley di Kolej Kejuruteraan, akan mengembangkan robot pemantauan tanah.
Projek ini akan memberi tumpuan kepada jagung, dengan tujuan utama untuk memasukkan faktor-faktor yang berkaitan dengan pertumbuhan akar untuk meningkatkan usaha pembiakan dan pengurusan tanah yang secara langsung mempengaruhi produktiviti dan keselamatan makanan.
"Kami berencana untuk mengembangkan alat baru sehingga kami dapat memanfaatkan lingkungan tanaman dan tanah di bawah tanah dengan cara yang memungkinkan kami menyinari cahaya dalam kotak hitam interaksi tanaman dan tanah," kata Bauerle.
"Ini benar-benar sempadan seterusnya dalam biologi tumbuhan," kata co-PI projek Michael Gore, Profesor Liberty Hyde Bailey dan profesor pembiakan molekul dan genetik di Bahagian Pembiakan Tumbuhan dan Genetik SIPS. Dengan mengukur ciri-ciri di bawah tanah, para penyelidik kemudian dapat mengenal pasti hubungan dengan ciri-ciri tanah di atas, kata Gore.
Untuk memperoleh pengukuran tersebut, pasukan akan mengembangkan robot seperti cacing sepanjang 1 hingga 2 kaki yang meniru bagaimana lubang menggerudi ke tanah, digabungkan dengan gerakan peristaltik yang meniru bagaimana cacing bergerak melalui tanah.
"Depan melonggarkan kotoran dan belakang mendorong ke depan dan menekan kotoran ke dinding terowong," kata Shepherd. Mereka merancang satu robot untuk mengumpulkan data berterusan ke atas dan ke bawah seluruh barisan jagung.
Pasukan ini akan bereksperimen dengan sejumlah sensor dan strategi. Keupayaan robot untuk menembusi tanah dapat mendedahkan sifat seperti kepadatan dan kekompakan tanah. Robot juga akan dilengkapi dengan sensor suhu dan kelembapan yang kecil.
Kabel gentian optik dapat memberikan banyak pengukuran, termasuk pencitraan langsung akar untuk mengukur pertumbuhan dan sudut. Pasukan ini merancang untuk menggunakan "AquaDust" yang dikembangkan di makmal co-PI projek Abraham Stroock, Profesor Gordon L. Dibble '50 di Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering di College of Engineering. AquaDust berpendar pada panjang gelombang yang berbeza berdasarkan jumlah air di dalam tanah.
Serat optik juga memungkinkan pengukuran panjang gelombang eksitasi dan gelombang mikroorganisma tanah dan kimia akar, termasuk sebatian karbon yang dikeluarkan oleh akar tanaman. "Kita harus dapat menentukan secara kasar apa bahan kimia dan organisma yang ada di permukaan akar dan tanah sekitarnya," kata Shepherd.
Dengan mengukur ciri-ciri akar, sifat tanah, sebatian, mikroorganisma dan air, para penyelidik kemudian boleh menggunakan model ramalan untuk menggabungkan ciri-ciri di bawah dan di atas tanah untuk meramalkan perkara seperti hasil bijirin dan toleransi tekanan, kata Gore.
Tujuan lain dari projek ini adalah untuk menilai bagaimana tanaman dapat bertindak balas terhadap kesan perubahan iklim, seperti ketersediaan air. Pengukuran pertumbuhan akar, berdasarkan data persekitaran, dapat memberikan gambaran tentang bagaimana akar tumbuh berdasarkan keadaan luaran, seperti kekeringan.
Oleh kerana tanah bukanlah medium yang baik untuk penghantaran tanpa wayar, para penyelidik akan menguji prototaip yang merakam data dalam memori, untuk diambil kemudian. Mereka juga dapat bereksperimen dengan komunikasi akustik melalui tanah dan wayar yang berjalan di sepanjang barisan tanaman jagung. Pada akhir projek, para penyelidik berharap dapat menunjukkan demonstrasi prototaip secara langsung di ladang jagung.
Kerja awal dimungkinkan dengan pembiayaan benih dari a Inisiatif Cornell untuk Pertanian Digital pemberian.