Magie d'ingénierie : les porte-graines en bois imitent le comportement de soi

Aug 08, 2023

La façon dont les graines s'implantent dans le sol peut sembler magique. Prenez quelques variétés d'Erodium, dont les fleurs à cinq pétales violettes, roses ou blanches ressemblent à des géraniums.

La graine de ces plantes est portée à l'intérieur d'une tige mince et étroitement enroulée. Pendant la pluie ou une forte humidité, la tige en forme de tire-bouchon se déroule et tord la graine dans le sol, où elle peut prendre racine et est à l'abri des oiseaux affamés et des conditions environnementales difficiles.

Inspiré par la magie d'Erodium, Lining Yao(opens in new window), professeur adjoint Cooper-Siegel d'interaction homme-machine à l'Université Carnegie Mellon, a travaillé avec une équipe de collaborateurs pour concevoir un support de graines biodégradable appelé E-seed. Leur porte-graines, fabriqué à partir de placage de bois, pourrait permettre l'ensemencement aérien de zones difficiles d'accès, et pourrait être utilisé pour une variété de semences ou d'engrais et adapté à de nombreux environnements différents. C'est une idée à laquelle Yao, la fille d'agriculteurs à temps partiel, réfléchit depuis qu'elle est doctorante. étudiant au MIT au milieu des années 2010.

"L'enfouissement des graines a été largement étudié pendant des décennies en termes de mécanique, de physique et de science des matériaux, mais jusqu'à présent, personne n'a créé d'équivalent en ingénierie", a déclaré Yao, directeur du Morphing Matter Lab(opens in new window) à l'Institut d'interaction homme-machine de l'École d'informatique(opens in new window).(opens in new window) "La recherche sur les porteurs de graines a été particulièrement gratifiante en raison de son impact social potentiel. Nous sommes enthousiasmés par les choses qui pourraient avoir un effet bénéfique sur la nature."

Les recherches de l'équipe ont été publiées dans le numéro de février de Nature(opens in new window).

Danli Luo, ancien assistant de recherche au Morphing Matter Lab et auteur principal de l'article Nature, a déclaré que la conception et la construction du porte-graines ont été inspirées par le mécanisme d'auto-enfouissement qu'Erodium a développé en s'adaptant aux climats arides.

La tige d'Erodium forme un corps étroitement enroulé et porteur de graines avec une longue queue incurvée au sommet. Lorsqu'il commence à se dérouler, la queue de torsion s'engage avec le sol, ce qui oblige le porte-graines à se redresser. Un déroulement supplémentaire crée un couple pour creuser dans le sol, enterrant la graine.

Mais le porteur à une queue d'Erodium ne fonctionne bien que sur des sols avec des crevasses. Pour utiliser leurs porteurs de graines électroniques dans un plus large éventail d'environnements, l'équipe de recherche a développé une version à trois queues (photo) qui est plus efficace pour se redresser.

"La géométrie peut améliorer la fonctionnalité des matériaux au-delà de ce que la nature nous offre. Elle rend également la conception polyvalente pour être appliquée à d'autres matériaux", a déclaré Shu Yang, scientifique des matériaux et co-auteur de l'Université de Pennsylvanie.

Les chercheurs ont envisagé un certain nombre de matériaux possibles pour leurs supports, notamment des hydrogels, du papier et d'autres formes de cellulose transformée. Ils ont finalement choisi des placages de chêne blanc - une espèce d'arbre abondante dans le parc Schenley adjacent au campus CMU à Pittsburgh - et largement utilisé dans les meubles. Comme Erodium, les placages réagissent à l'humidité.

"Les graines ont une réponse magique à la pluie", a déclaré Yao.

Ayant grandi en Mongolie intérieure, Yao a appris très tôt de ses parents l'importance de synchroniser le processus d'ensemencement avec la perspective de la pluie. Son appréciation de ce moment a grandi au cours de ce projet, car les chercheurs ont effectué de nombreux tests sur le terrain des transporteurs, plutôt que de simples tests en laboratoire. Cela signifiait qu'ils devaient garder les yeux sur la météo, précipitant les porte-avions sur un terrain d'essai lorsque la pluie était au rendez-vous.

L'équipe a mis au point un processus en cinq étapes comprenant à la fois un lavage chimique et un moulage mécanique pour fabriquer les porte-graines. Bien que les supports soient actuellement fabriqués en laboratoire, les chercheurs prévoient d'adapter le processus à une échelle industrielle.

"Fabriquer des graines électroniques grâce à des méthodes de conception et de fabrication numériques est crucial pour nos objectifs à long terme", a déclaré Guanyun Wang, un ancien chercheur postdoctoral au Morphing Matter Lab qui a poursuivi le projet après avoir occupé un poste de professeur à l'Université du Zhejiang.

En plus des graines, les chercheurs ont démontré qu'ils pouvaient utiliser les supports pour livrer des nématodes (vers utilisés comme pesticides naturels), des engrais et des champignons. Des travaux sont également en cours pour les adapter à la plantation de jeunes plants.

« Avoir un aperçu de la mécanique de la dynamique du bois et du forage des semences conduit à une conception et une optimisation améliorées », a déclaré Teng Zhang, professeur agrégé de génie mécanique et aérospatial à l'Université de Syracuse, qui a effectué des modélisations et des simulations pour expliquer le mécanisme de fonctionnement des actionneurs en bois et les avantages de la conception à trois queues d'E-seed.

Ces applications ont été possibles grâce à une étude d'utilisateurs menée par Aditi Maheshwari et Andreea Danielescu d'Accenture Labs, qui ont interrogé des experts en matière de reboisement, d'agriculture et de gestion de la santé des sols pour informer l'applicabilité des semences électroniques dans le monde réel.

"Comprendre les applications réelles des technologies de bio-ingénierie telles que les semences électroniques est crucial pour faire progresser la conception écologique", a déclaré Maheshwari, directeur de la recherche et du développement chez Accenture Labs, qui travaille sur les matériaux et les environnements durables.

Andreea Danielescu, directrice du groupe R&D Future Technologies (recherche et développement) chez Accenture Labs, a déclaré que les semences électroniques peuvent améliorer la résilience écologique.

"Des technologies comme E-seed peuvent nous aider à résoudre des problèmes du monde réel, nous aidant à éviter les glissements de terrain, à réduire l'impact des espèces envahissantes et à améliorer le reboisement des endroits difficiles d'accès", a déclaré Danielescu.

Les supports pourraient également être utilisés pour implanter des capteurs pour la surveillance de l'environnement. Ils pourraient également aider à la récupération d'énergie en implantant des dispositifs qui créent du courant en fonction des fluctuations de température.

"L'intérêt pour la recherche dans les domaines de l'agriculture, de la foresterie et d'autres disciplines a été encourageant", a déclaré Yao. Mais peut-être que l'une des mentions les plus importantes est venue d'une source proche d'elle : son père, l'agriculteur à temps partiel.

"Quand je lui ai mentionné l'idée, il l'a eue immédiatement."

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