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可以模拟植物根系在土壤中生长模式的葡萄藤蔓机器人！

大学仕 2021-03-15 09:21

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加州大学圣塔芭芭拉分校的机器人学家埃利奥特·霍克斯（Elliot Hawkes）虽然是机械工程师，但他还是生物系统的忠实拥护者。他开发出了一种模仿植物根部的软体机器人，这是一台柔软的，类似于葡萄藤的机器，可以从其顶端展开以绕过坚硬的障碍物。他的机器人以一种展开锚固件的形式提供稳定性，并为植物获取生存必需的营养。

当由杜克大学生物学家菲利普·本菲（Philip Benfey）领导的一组研究人员试图更好地了解真实的植物根系如何在土壤中运转时，霍克斯成为其合伙人。霍克斯表示，这个想法来自其中一位共同作者丹尼尔·戈德曼教授，他正在研究论文的物理方面。佐治亚理工学院的物理学家和教授表示，这款藤蔓式机器人将为真实的生物系统提供一个很好的模型。

该研究是深入了解了植物根部在非均质（通常是多岩石）土壤中航行所需要的分子和机械的策略。该论文现已发表在《美国国家科学院院刊》上。机器人建模是该团队进行的几项实验之一，此外还有定时播出的米粒在透明凝胶中发芽的视频，以及对正常和突变米粒在多孔塑料板上生长的观察。查尔斯·达尔文（Charles Darwin）推测，根部生长的扭曲的、螺旋样的运动是使根部越过障碍物的方法。但是，由于缺乏基因突变体（在这种情况下，其根系不会随着生长而扭曲），因此很难查明植物根是如何实现的。

在机器人物理实验中，霍克斯的藤蔓机器人被制作成可以向下穿过钉的二维障碍物路线，以模拟奇石块和其他坚硬的植物根系在首次进入土壤时可能遇到的问题。机器人物理模型使我们能够研究绕行在障碍物中的作用的机械原理。它使我们能够深入了解章动化提高渗透率的机制。他们发现，当使机器人的尖端仅向前移动时，它常常卡在一个钉子上，而如果尖端从一侧到另一侧摆动，则它几乎可以直面遇到障碍物，但会从上面滑落并找到新的方向。他解释说，不同之处在于根尖对物体施加的力的方向：笔直的根对障碍物施加更直接的力，而振荡的根产生的力指向远离障碍物的方向，在大多数情况下，使根尖扫视。

螺旋策略在测试中也更为成功，该测试表明，具环行性的水稻种子根在塑料板上发现孔的可能性，是其突变的直生对应孔的可能性的三倍。当将其种植在代表典型随机岩石污垢的培养基中时，具有直根的幼苗比具有直根的幼苗更成功。根据研究人员的说法，扭曲的生长“似乎被根部采用作为一种强有力的探索策略”，在幼苗生长的最初阶段，它首先试图在地下建立自己的根基，这在生长的最初阶段就至关重要。

来源：贤集网

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