Las herramientas que ofrecen información temprana y precisa sobre la salud de las plantas y permiten intervenciones individuales en cada una de ellas son fundamentales para aumentar el rendimiento de los cultivos a medida que las presiones ambientales impactan cada vez más en la horticultura y la agricultura.
En respuesta a este desafío, investigadores de Cornell han desarrollado un dispositivo robótico blando que sujeta con suavidad hojas de plantas vivas e inyecta sensores que le ayudan a detectar y comunicarse con su entorno. El robot también puede inyectar material genético que podría utilizarse para la bioingeniería vegetal en el futuro.
El dispositivo permite la administración segura y repetible de sensores y material genético de forma fiable y segura para las plantas, un paso esencial en la agricultura de precisión basada en datos. Los hallazgos del equipo se publicaron en Science Robotics .
La financiación para la investigación fue proporcionada por la Fundación Nacional de Ciencias a través de una subvención de 25 millones de dólares por cinco años en apoyo al Centro de Investigación sobre Sistemas de Plantas Programables (CROPPS) dirigido por Cornell.
“Las plantas, al igual que las personas, tienen diferentes respuestas al medio ambiente, y la agricultura de precisión es un esfuerzo por acercarse cada vez más a la intervención a nivel de una sola planta y del suelo que la rodea”, dijo el autor principal del artículo, Robert F. Shepherd , profesor en la Escuela Sibley de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial en Cornell Engineering, y líder de investigación en CROPPS.
Los horticultores, agricultores y ganaderos se enfrentan a la creciente presión de los impactos ambientales, como la sequía y la escorrentía de fertilizantes. Mediante la implantación de sensores en las hojas, los investigadores pueden monitorizar el impacto de la sequía o una sobredosis de fertilizantes en la planta.
Para demostrarlo, el equipo utilizó la pinza para colocar dos tipos de sondas. La primera, AquaDust , es una diminuta partícula de gel que fluoresce en respuesta al estrés hídrico, lo que permite a los investigadores monitorear de forma no invasiva los niveles de hidratación de una planta. La segunda sonda, RUBY, es un reportero biológico codificado por genes que provoca la aparición de pigmentación roja donde se produce la transformación genética dentro de la planta.
“AquaDust nos permitió ‘ver’ el estrés hídrico dentro de una hoja y, de manera similar, al inyectar una bacteria que transforma la región de inyección con genes reporteros RUBY, pudimos ‘ver’ que esta parte de la hoja experimentó una transformación genética”, dijo el primer autor Mehmet Mert Ilman, anteriormente investigador postdoctoral en el Laboratorio de Robótica Orgánica y ahora profesor asistente de ingeniería mecánica en la Universidad Manisa Celal Bayar en Turquía.
“Fue fascinante poder transformar robóticamente la genética local de la hoja de la planta y luego verla cambiar nuevamente”, dijo.
Los investigadores probaron el dispositivo en hojas de girasol y algodón, plantas conocidas por su resistencia estructural a la infiltración. La pinza logró una eficacia de aplicación superior al 91 %, causando significativamente menos daños que los métodos con jeringa y ampliando el área de infiltración efectiva más de 12 veces.
El sistema robótico suave funciona sin intervención manual, distribuye los materiales de forma más uniforme y causa poco o ningún daño, incluso en especies resistentes y duraderas como el algodón. Esta técnica supone una mejora respecto a los métodos manuales tradicionales, como la infiltración por vacío, que utiliza aire a baja presión para forzar la entrada de líquidos en los tejidos vegetales, o las inyecciones con agujas, que pueden dañar las hojas, requieren mucha mano de obra y suelen fallar en plantas resistentes. Esto es especialmente importante para los cultivos hortícolas: plantas de piel suave cultivadas por sus frutas, hortalizas, flores o valor ornamental.
El dispositivo aplica una presión suave y uniforme mediante una punta de esponja que sujeta la nanopartícula o las sondas genéticas. El diseño del material blando y del actuador (la parte de la máquina que produce fuerza o torque) se optimizó mediante software de simulación e impresión 3D, lo que permite que la pinza funcione con diversos tipos y formas de hojas.
“Su baja rigidez le permite deformar la forma de la pinza para adaptarse a la orientación y la superficie de la hoja con mínimas consecuencias para la salud de la misma”, afirmó Shepherd. “La forma del actuador extensible permitió un gran desplazamiento y la posibilidad de ajustar la orientación sin un control motor voluminoso o complejo”.
La investigación sienta las bases para el monitoreo de plantas mínimamente invasivo y en tiempo real, dijo Shepherd.
“Las pinzas blandas para inyectar sondas físicas o biológicas abren nuevas e increíbles capacidades”, afirmó. “El uso inmediato de nuestro sistema probablemente sea en invernaderos, donde un robot inyectaría y monitorearía constantemente cada planta para determinar su necesidad de agua”.
A largo plazo, se podrían utilizar pinzas similares para entregar o recuperar otros materiales de diagnóstico, incluidos sensores de absorción de nitrógeno, presencia de enfermedades o incluso cambios metabólicos en tiempo real, lo que abre nuevas posibilidades para la agricultura inteligente y la investigación vegetal.
“Con el tiempo, también se crearán nuevas nanopartículas que nos informarán sobre muchos otros aspectos de la salud de las plantas”, dijo Shepherd. “Con esta información, las plantas producirán más y desperdiciaremos menos”.
El equipo ahora está explorando la integración de la pinza en brazos robóticos para sistemas de invernaderos automatizados, con el objetivo a largo plazo de adaptarla para plataformas que se puedan implementar en el campo.
“Una vez que se traslade la gestión de los invernaderos, las implicaciones serán mayores”, dijo Shepherd. “Me interesa especialmente limitar los flujos de residuos hacia los lagos para prevenir la proliferación de algas nocivas”.
Los coautores incluyen investigadores del Instituto Boyce Thompson, la Escuela Smith de Ingeniería Química y Biomolecular y la Escuela de Ciencias Vegetales Integrativas de la Facultad de Agricultura y Ciencias de la Vida.
El trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias, el Instituto Nacional de Alimentos y Agricultura del USDA y el Consejo de Investigación Científica y Tecnológica de Turquía. Unversidad de Cornell News. E: D´A. Traducido al español
