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利用增材制造优化拔草工作的新研究

文章和图片来源:        时间:2022.07.25        点击率:

  后院园丁把杂草视为讨厌的东西,一块农田上不加控制的杂草会损害作物,使其无法达到最高产量,并对收获时的整体销售价格产生负面影响。农民们最初用手拔除杂草,在每块田地的行间来回走动,寻找入侵物种。这种方法可能对那些只想种植足够粮食养家糊口的农民有效。然而,随着行业的扩大,面积越来越大,手工除草不再实用。

  现代农业严重依赖除草剂,这是一种可以在不损害农作物的情况下杀死杂草的化学物质。不幸的是,现代科学对这些化学物质有了更清晰的描述,发现除草剂对人类健康和当地生态系统的长期影响。该行业需要一种控制杂草的新方法:增材制造技术。

  Sonora Ortiz在来到缅因大学之前,他们在加州和欧洲各地的农场工作,这培养了他对可持续农业的热情。 旁人可能会认为这会使得奥尔蒂斯从事农业视事业,但当到达奥罗诺时,他选择了物理专业。

  由食品与农业学院杂草生态学的Eric Gallandt教授的一节杂草科学课重新点燃了奥尔蒂斯对农业的热情。Gallandt邀请他们和他合作开展一个专注于人工除草的项目。看起来这个团队像是在倒退,回归旧方法。但Gallandt将增材制造技术和物理相结合,教这些老手一些新技巧。

  增材制造几乎在每个行业都有越来越多的应用,但农业部门的采用速度较慢。到目前为止,最突出的用途是重型农业设备的原型设计和生产部件。在奥尔蒂斯等研究人员的帮助下,这些应用可能会继续增长,他们正在将增材制造与纳米技术相结合,以帮助在农业环境中去除杂草。

  增材制造对于物理除草的测试方法要有效得多。这涉及从地面、根部和所有植物中拔出植物,而不是用除草剂处理它们。以前的研究技术依赖于以杆作为杂草替代品,它提供了实验控制,但不像有根系的活植物那样表现。另一种方法是使用专门在土壤中生长的实际杂草进行此类测试。

  后者的问题是,一旦测试完成,它就不可重复了。研究人员被困在等待下一批杂草生长,并且不能保证每株新植物都与上一株相同。

  增材制造结合纳米技术解决了这两个问题。像奥尔蒂斯这样的研究人员可以打印带有根系的测试杂草,并重复使用相同的打印植物。纳米涂层的应用方法是简单地将人工根系浸入涂层溶液中,它可以模拟根系的毛根附着在土壤上,使去除整个植物变得更加困难。

  这些物理除草试验背后的科学可以追溯到梁弯曲物理。在根部折断之前,它们能用多大的力拉,将植物材料留在地下重新长成新的杂草?这些“力曲线”使研究人员能够了解每株植物是如何附着在土壤上的,从而更容易去除它们,而无需使用刺激性除草剂或其他可能损害周围植物的化学物质。

  有了新的资助,Gallandt将能够进一步研究杂草科学。具体来说,他们将与机械工程助理教授 Bashir Khoda 合作,创造纳米涂层,使分子在增材制造制作出的根部上真正定向,从而更准确地复制毛发对根部的作用力。该赠款还将允许Gallandt参加美国杂草协会年会,以展示他们的发现。从长远来看,Gallandt旨在将增材制造技术应用于各种作物,以优化杂草控制,使除草不会损害周围的作物。

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