공학적 마법: 나무 씨앗 운반체는 자아의 행동을 모방합니다

Aug 08, 2023

씨앗이 토양에 스스로 심어지는 방식은 마술처럼 보일 수 있습니다. 보라색, 분홍색 또는 흰색의 다섯 꽃잎이 달린 꽃이 제라늄처럼 보이는 다양한 종류의 에로디움(Erodium)을 생각해 보세요.

이 식물의 씨앗은 얇고 촘촘하게 감겨진 줄기 안에 들어있습니다. 비가 오거나 습도가 높을 때 코르크 따개 모양의 줄기는 씨앗을 풀고 비틀어 토양에 뿌리를 내리게 하며 배고픈 새와 가혹한 환경 조건으로부터 안전합니다.

Erodium의 마법에서 영감을 받아 Carnegie Mellon University의 인간-컴퓨터 상호 작용과 Cooper-Siegel 조교수인 Lining Yao(opens in new window)는 공동 연구팀과 협력하여 E-seed라고 불리는 생분해성 종자 운반체를 설계했습니다. 목재 베니어판으로 제작된 종자 운반체는 접근하기 어려운 지역에 공중 파종을 가능하게 하고 다양한 종자나 비료로 사용될 수 있으며 다양한 환경에 적응할 수 있습니다. 파트타임 농부의 딸인 야오 씨가 박사과정 시절부터 고민해 온 생각이다. 2010년대 중반 MIT 학생.

"종자 매장은 역학, 물리학 및 재료 과학 측면에서 수십 년 동안 집중적으로 연구되어 왔지만 지금까지 누구도 동등한 공학적 기술을 개발하지 못했습니다."라고 학교의 Morphing Matter Lab(opens in new window) 소장인 Yao는 말했습니다. of Computer Science(opens in new window)'s Human-Computer Interaction Institute.(opens in new window) "종자 운반체 연구는 잠재적인 사회적 영향 때문에 특히 보람을 느꼈습니다. 우리는 유익한 효과를 가질 수 있는 것에 대해 흥미를 느낍니다. 자연에."

연구팀의 연구 결과는 네이처(Nature) 2월호(opens in new window)에 게재됐다.

Morphing Matter Lab의 전 연구 조교이자 Nature 논문의 주요 저자인 Danli Luo는 종자 운반체의 설계와 구성이 Erodium이 건조한 기후에 적응하면서 진화한 자가 매장 메커니즘에서 영감을 받았다고 말했습니다.

Erodium의 줄기는 촘촘하게 감겨진 씨앗을 운반하는 몸체를 형성하며 꼭대기에는 길고 구부러진 꼬리가 있습니다. 풀리기 시작하면 뒤틀린 꼬리가 땅에 닿아 종자 운반체가 스스로를 똑바로 밀어냅니다. 더 많이 풀면 토크가 발생하여 땅에 구멍을 뚫고 씨앗을 묻습니다.

그러나 Erodium의 한쪽 꼬리 운반체는 틈이 있는 토양에서만 잘 작동합니다. 더 넓은 범위의 환경에서 E-seed 캐리어를 사용하기 위해 연구팀은 스스로를 똑바로 세우는 데 더 효율적인 3개의 꼬리 버전(사진)을 개발했습니다.

"기하학은 자연이 우리에게 제공하는 것 이상으로 재료의 기능성을 향상시킬 수 있습니다. 또한 디자인을 다른 재료에 적용할 수 있는 다목적으로 만듭니다"라고 펜실베니아 대학의 재료 과학자이자 공동 저자인 Shu Yang은 말했습니다.

연구자들은 하이드로겔, 종이 및 기타 형태의 가공된 셀룰로오스를 포함하여 캐리어에 사용할 수 있는 다양한 재료를 고려했습니다. 그들은 궁극적으로 피츠버그의 CMU 캠퍼스에 인접한 Schenley Park에 풍부하고 가구에 널리 사용되는 나무 종인 화이트 오크 베니어를 선택했습니다. Erodium과 마찬가지로 베니어판도 습기에 반응합니다.

Yao는 "씨앗은 비에 마법처럼 반응합니다"라고 말했습니다.

내몽골에서 자란 Yao는 일찍부터 비가 올 가능성에 따라 파종 과정을 맞추는 것이 중요하다는 것을 부모님으로부터 배웠습니다. 연구원들이 단순한 실험실 테스트가 아닌 캐리어에 대한 많은 현장 테스트를 수행했기 때문에 이 프로젝트 동안 그 타이밍에 대한 그녀의 감사가 커졌습니다. 이는 그들이 날씨를 계속 주시해야 하고 비가 내릴 때 항공모함을 시험장으로 급히 보내야 함을 의미했습니다.

팀은 종자 운반체를 제조하기 위해 화학적 세척과 기계적 성형을 모두 포함하는 5단계 공정을 개발했습니다. 캐리어는 현재 실험실에서 제작되고 있지만 연구원들은 이 공정을 산업 규모에 적용할 것으로 예상하고 있습니다.