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

Oct 05, 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。