Революция растений

Манкузо Стефано

Такими плантоидов изобразил художник. Поскольку эти роботы созданы в подражание растениям, они могут применяться для любых работ с почвами, разведки полезных ископаемых, очистки природных ресурсов от загрязнений.

Так и случилось с Ариадной, руководителем группы новых проектов Европейского космического агентства (ЕКА). Наши аргументы в пользу возможности создания космического робота, в основу которого была бы положена структура растения, ее убедили. В результате нам удалось получить финансирование на создание технико-экономического обоснования проекта. Финансирование было ограниченным и не позволило нам создать

модель, но очень помогло сформулировать идею и предугадать вероятные проблемы, которые могли бы помешать удачной конструкции плантоида. Мы сделали для ЕКА замечательный финальный отчет (с которым можно ознакомиться в Сети) с обещающим названием: «Bio-inspiration from plants’roots» («Вдохновляясь растительной корневой системой»). В отчете в подробностях были изложены перспективы и детали создания плантоида и возможности его использования для освоения космических пространств (например исследования Марса). Наш основной посыл формулировался просто: поскольку растения являются первопроходцами в освоении нашей планеты, результаты исследования их способов выживания, воплощенные в плантоиде, могли бы подарить ученым машину, обладающую большим запасом сопротивления враждебной среде. А пока мы не знаем в космосе ничего более враждебного, чем атмосфера Марса.

Проект предусматривал выброс большого количества плантоидов в марсианскую атмосферу, где предполагалось их оставить. По своим размерам они не должны были превышать 10 см. Плантоиды рассеялись бы по Красной планете и запустили корни в марсианскую почву. Так им удалось бы исследовать подпочвенные слои, наружные же подобия листьев обеспечивали бы им практические неиссякаемый приток энергии, благодаря фотоэлементам. Наш проект обещал переворот в освоении Марса! Вместо того, чтобы отправлять на Марс огромные и дорогущие марсоходы, которые двигаются очень медленно и способны исследовать лишь небольшой кусочек поверхности планеты, можно было заслать туда тысячи плантоидов, которые бы исследовали не только почвы, но и атмосферу, распространились по значительной площади и, не двигаясь вовсе, могли бы связываться между собой и с командным пунктом на Земле. Плантоиды передавали бы данные о составе почв из разных уголков Марса, что позволило бы значительно быстрее и точнее построить карту планеты.

По завершении исследования для ЕКА проект снова подвис и несколько лет ожидал финансирования. Наконец, в 2011 году мы с Барбарой попробовали получить помощь от Европейского союза – мы приняли участие в конкурсе самых фантастических проектов, характеризующихся высокой вероятностью неудачи и в то же время высоким уровнем инновационности. Эта программа получила название FET (Future and emerging technologies) и стала самой престижной ареной конкуренции за финансирование среди авторов самых революционных идей в области новых технологий в Европе. Мы назвали нашу заявку «Плантоид». Проект «Innovative robotic artefacts inspired by plant roots for soil monitoring» («Инновационная роботизированная технология мониторинга почв на основе устройства корневой системы растений») получил умопомрачительную оценку – 15 баллов из 15! Абсолютное большинство голосов! Таким образом у нас появилось нормальное финансирование, которое позволило построить первый плантоид.

Первый прототип плантоида, сконструированный для европейского проекта FET (Технологии будущего), погружает корни в почву.

Последующие три года мы посвятили решению тысяч проблем, возникших в процессе проектирования и изготовления модулей, из которых состоит наш плантоид, и его окончательной сборке. Одним из главных камней преткновения для лаборатории Барбары стал процесс имитации роста корня – и он же принес наибольшие дивиденды. Это была на самом деле серьезная задача. Создание механизмов, способных к самовоспроизведению, является одной из ключевых проблем робототехники.

У растений процесс роста и движения корней обеспечивается двумя механизмами: делением клеток меристематических тканей [4] в зоне деления на конце корня и распуханием клеток в задней части корня, так и именуемой – зоной роста. Оба эти механизма мы попытались воспроизвести в конструкции наших искусственных корней с помощью резервуара для пластика, который использовался для постоянного наращивания автоматического корня. Кроме того, стремясь

воспроизвести разнообразные способности природного корня, мы снабдили наш автоматический корень акселерометром для надежного определения направления приложения силы тяжести; датчиком влажности, чтобы воспроизвести способность растения чувствовать малейшие изменения гидрорежима; несколькими химическими сенсорами; осмотическими преобразователями (устройствами, преобразовывающими осмотическое давление в движение), которые обеспечивали сохранение направления и проникновение в почву. Робот-корень был снабжен микроконтроллером, который обрабатывал информацию, поступающую от различных сенсорных устройств и создавал подобие распределенного интеллекта, свойственного растительным корневым системам. Когда мы наконец сконструировали корни аппарата, пришлось заняться листьями. Эта задача была менее сложной, и ее удалось решить с помощью фотоэлементов, которые имитировали процесс фотосинтеза и снабжали наш аппарат энергией, необходимой для выполнения всех оперативных функций.

4

Эмбриональные ткани растений, состоящие из интенсивно делящихся и сохраняющих на протяжении всей жизни физиологическую активность клеток. – Прим. ред.

Плантоид, воспроизводя адаптивную стратегию растения, движется очень медленно, тщательно исследуя окружающую среду, активно реагируя на изменения и демонстрируя низкое энергопотребление. Корни плантоида растут, как настоящие, и постепенно погружаются в почву с помощью осмотических преобразователей нового вида; все плантоиды коммуницируют между собой, обмениваясь данными и создавая распределенный интеллект, типичный для мира растений.

Сегодня плантоиды стали реальностью – их можно использовать в самых различных ситуациях и обстоятельствах: в местах химического или радиационного заражения, в случаях террористических атак, для картирования минных полей, исследования космоса, геологической разведки или поисков нефтяных месторождений, в мелиорации или высокотехнологичном сельском хозяйстве. Барбара продолжает совершенствовать аппарат и создавать специализированные версии для различных вариантов применения.

Итак, мы стоим в самом начале очень интересного пути, при этом количество людей, поддерживающих идеи воплощения в робототехнике принципов устройства растительного мира, постоянно растет. И я надеюсь, даже, скорее, уверен в том, что пройдет совсем немного времени, и мы увидим целые группы мирных плантоидов, ухаживающих за садами и фермерскими хозяйствами.

Библиография

F. Baluska, S. Mancuso, D. Volkmann, Communication in plants. Neuronal aspects of plant life, Springer, Berlino 2006.

P.B. Barraclough, L.J. Clark, W.R. Whalley, How do roots penetrate strong soil? «Plant and soil», 255, 2003, стр. 93–104.

A. Braun, The vegetable individual, in its relation to species, «The American journal of science and arts», 19, 1855, стр. 297–318.

C. Darwin, Journal of researches into the geology and natural history of the various countries visited by H.M.S. Beagle, under the command of captain Fitzroy, R.N., from 1832 to 1836, Colburn, Londra 1839 (trad. it. Viaggio di un naturalista intorno al mondo, Giunti, Firenze 2002).

E. Darwin, Phytologia. Or the philosophy of agriculture and gardening, Johnson, Londra 1800.

J.H. Fabre, La plante. Lecons `a mon fils sur la botanique, Librairie Charles Delagrave, Parigi 1876.

J.W. von Goethe, Versuch die Metamorphose der Pflanzen zu erkl"aren, C.W. Ettinger, Gotha 1790 (trad. it. La metamorfosi delle piante, Guanda, Parma 2013).

E.L. Greacen, J.S. Oh, Physics of root growth, «Nature new biology», 235, 1972, стр. 24–25.

S. Mancuso et al., Plant neurobiology. An integrated view of plant signaling, «Trends in plant science», 11 (8), 2006, стр. 413–419.

S. Mancuso et al., The plant as a biomechatronic system, «Plant signaling & behavior», 5 (2), 2010, стр. 90–93.

S. Mancuso, B. Mazzolai, Il plantoide. Un possibile prezioso robot ispirato al mondo vegetale, «Atti dei Georgofili 2006», с VIII, vol. 3, том II, 2007, стр. 223–234.