لقد تعلم علماء المحاصيل على مر السنين الكثير عن كيفية نمو النباتات فوق سطح الأرض، ولكن لا يُعرف الكثير عن الجذور وتفاعلاتها مع التربة. الآن، سيقوم مشروع كورنيل، الممول من خلال منحتين منفصلتين مدتهما ثلاث سنوات، بتطوير روبوتات شبيهة بالديدان، تسبح في التربة، لاستشعار وتسجيل خصائص التربة، والمياه، وميكروبيوم التربة، وكيفية نمو الجذور.
ستركز منحة مؤسسة العلوم الوطنية (NSF) بقيمة 2 مليون دولار بقيادة الباحث الرئيسي (PI) تارين باورلي، الأستاذ المشارك في قسم البستنة بكلية علوم النبات التكاملية (SIPS) في كلية الزراعة وعلوم الحياة، على منظور النباتات والتربة.
وفي الوقت نفسه، ستعمل منحة مبادرة الروبوتات الوطنية التابعة لمؤسسة NSF بقيمة 750,000 ألف دولار للباحث الرئيسي روبرت شيبرد، الأستاذ المشارك في كلية سيبلي للهندسة الميكانيكية وهندسة الفضاء الجوي في كلية الهندسة، على تطوير روبوتات مراقبة التربة.
وسيركز المشروع على الذرة، مع الهدف النهائي المتمثل في دمج العوامل المتعلقة بنمو الجذور لتحسين جهود التربية وإدارة التربة التي تؤثر بشكل مباشر على الإنتاجية والأمن الغذائي.
وقال باورلي: "نحن نخطط لتطوير أدوات جديدة حتى نتمكن من الاستفادة من البيئة تحت الأرض للنباتات والتربة بطريقة تسمح لنا بتسليط الضوء على الصندوق الأسود للتفاعلات بين النبات والتربة".
وقال الباحث المشارك في المشروع: "إن هذه هي بالفعل الحدود التالية في بيولوجيا النبات". مايكل جور، أستاذ ليبرتي هايد بيلي وأستاذ التربية الجزيئية وعلم الوراثة في قسم تربية النباتات وعلم الوراثة في SIPS. وقال جور إنه من خلال قياس الخصائص الموجودة تحت الأرض، يمكن للباحثين بعد ذلك تحديد العلاقات مع الخصائص الموجودة فوق الأرض.
للحصول على هذه القياسات، سيقوم الفريق بتطوير روبوتات شبيهة بالديدان يبلغ طولها من قدم إلى قدمين، والتي تحاكي كيفية حفر الحفر في الأرض، بالإضافة إلى حركة تمعجية تحاكي كيفية تحرك الديدان عبر التربة.
وقال شيبرد: "الجزء الأمامي يفكك الأوساخ ويدفع الجزء الخلفي للأمام ويضغط على تلك الأوساخ في جدار النفق". إنهم يخططون لروبوت واحد لجمع البيانات بشكل مستمر لأعلى ولأسفل صف كامل من الذرة.
سيقوم الفريق بتجربة عدد من أجهزة الاستشعار والاستراتيجيات. إن قدرة الروبوت على الدفع عبر التربة يمكن أن تكشف عن خصائص مثل كثافة التربة وتماسكها. سيتم تزويد الروبوتات أيضًا بأجهزة استشعار صغيرة لدرجة الحرارة والرطوبة.
يمكن أن توفر كابلات الألياف الضوئية عددًا كبيرًا من القياسات، بما في ذلك التصوير المباشر للجذور لقياس النمو والزوايا. يخطط الفريق لاستخدام "AquaDust" الذي تم تطويره في مختبر المشروع المشترك ابراهيم ستروك، أستاذ Gordon L. Dibble '50 في كلية سميث للهندسة الكيميائية والبيولوجية الجزيئية في كلية الهندسة. يتألق AquaDust بأطوال موجية مختلفة بناءً على كمية الماء الموجودة في التربة.
يمكن أن تسمح الألياف الضوئية أيضًا بقياسات الإثارة والأطوال الموجية للانبعاث للكائنات الحية الدقيقة في التربة وكيمياء الجذور، بما في ذلك مركبات الكربون التي تفرزها جذور النباتات. وقال شيبرد: "يجب أن نكون قادرين على تحديد المواد الكيميائية والكائنات الحية السائدة على سطح الجذر والتربة المحيطة بها تقريبًا".
وقال جور إنه من خلال قياس خصائص الجذر وخصائص التربة والمركبات والكائنات الحية الدقيقة والمياه، قد يستخدم الباحثون بعد ذلك نماذج تنبؤية للجمع بين الخصائص الموجودة تحت الأرض وفوقها للتنبؤ بأشياء مثل إنتاج الحبوب وتحمل الإجهاد.
وسيكون الهدف الآخر للمشروع هو تقييم كيفية استجابة النباتات لآثار تغير المناخ، مثل توافر المياه. يمكن أن توفر قياسات نمو الجذور، التي تؤخذ في الاعتبار مع البيانات البيئية، نظرة ثاقبة حول كيفية نمو الجذور بناءً على الظروف الخارجية، مثل حالات الجفاف.
وبما أن التربة ليست وسيلة جيدة للإرسال اللاسلكي، فسيقوم الباحثون باختبار نماذج أولية تسجل البيانات في الذاكرة، لاسترجاعها لاحقًا. وقد يكون بمقدورهم أيضًا تجربة الاتصال الصوتي من خلال التربة والأسلاك التي تمتد على طول صف من نباتات الذرة. وفي نهاية المشروع، يأمل الباحثون في عرض عروض حية للنماذج الأولية في حقل الذرة.
أصبح العمل الأولي ممكنًا بفضل التمويل الأولي من أ مبادرة كورنيل للزراعة الرقمية منح.
