The first 3D-printed biodegradable seed robot, able to change shape in response to humidity Nasce il primo robot seme biodegradabile e in grado di mutare forma con l’umidità
Italy
April 19, 2023
The seeds of the South African geranium inspired the realization of the prototype. Developed at IIT by Barbara Mazzolai’s group, it is part of the European project “I-Seed”.
A robot with the shape of a seed and with the ability to explore the soil based on humidity changes. It is made of biodegradable materials and able to move within the surrounding environment without requiring batteries or other external sources of energy. These are the main features of the first I-Seed, the first 3D-printed seed-robot created at the Istituto Italiano di Tecnologia (IIT-Italian Institute of Technology) in Genoa, by the researchers of Bioinspired Soft Robotics (BSR) Lab coordinated by Barbara Mazzolai, in collaboration with the University of Trento. The artificial seed is capable of transforming itself and moving around the environment autonomously, and may find applications in various fields, from environmental monitoring to reforestation.
The research paper that describes the prototype has been published in Advanced Science and featured on its cover. The result originates from the European project I-Seed, coordinated by IIT, whose main goal is to creating innovative robots inspired by plant seeds and able to act as sensors for monitoring soil quality parameters – including the presence of pollutants such as mercury – and air metrics, such as CO2 levels, temperature and humidity. The I-Seed project has been started on January 2021.
The first I-Seed is inspired by the seed structure of a South African geranium, the Pelargonium appendiculatum, whose ability to change shape in reaction to variations in humidity in the surrounding environment, the so-called hygromorphic structure, is replicated.
“Our studies started from the observation of nature, with the aim to imitate the strategies of living beings or their structures and replicate them in robotic technologies with low environmental impact in terms of energy and pollution“, explained Barbara Mazzolai, Associate Director for Robotics of the IIT and coordinator of the EU-funded project I-Seed.
Plants are a constant source of inspiration for the research group of the IIT-BSR Lab coordinated by Mazzolai, who is a pioneer in the field. After mimicking the growth and movement strategies of the roots and climbing plants, the group focused on studying the movement and dispersal features of the seed-carrying structures typical of the Gerianaceae plants.
When the right environmental conditions occur, these seeds detach from the plant and, exploiting the hygroscopic properties of the materials they are composed of, they change shape and move independently to explore and penetrate the soil, thus increasing the chance of germination. What researchers find interesting is that these seeds exploit dead cellulose-based tissues that lack metabolism and are able to deform, exploiting only changes in environmental humidity.
By analyzing these tissues histologically, the researchers replicated the seed design by using and combining 3D printing and electrospinning techniques. To identify the best solution, different materials with characteristics adaptable to the desired application were tested, such as materials capable of absorbing humidity and expanding like cellulose nanocrystals and polyethylene oxide, coupled to biodegradable and thermoplastic polymers based on Polycaprolactone.
“With this latest research – added Mazzolai – we have further proved that it is possible to create innovative solutions that not only have the objective of monitoring the well-being of our planet, but that do so without altering it“.
“These biodegradable and energy-autonomous robots will be used as wireless, battery-free tools for surface soil exploration and monitoring. This bioinspired approach has allowed us to create low-cost instruments that can be used to collect in-situ data with high spatial and temporal resolution, especially in remote areas where no monitoring data are available,” added Luca Cecchini, a PhD student at IIT in collaboration with the University of Trento and first author of the study.
Nasce il primo robot seme biodegradabile e in grado di mutare forma con l’umidità
Il prototipo è ispirato ai semi del geranio sud-africano. Realizzato in IIT dal gruppo di Barbara Mazzolai, nasce nell’ambito del progetto europeo I-Seed. È il primo esemplare al mondo
Un robot a forma di seme e con la capacità di esplorare il suolo in base alle variazioni di umidità; costituito da materiale biodegradabile e in grado di muoversi nell’ambiente senza necessità di batterie o altre sorgenti esterne di energia: è il primo I-Seed, il primo seme-robot artificiale realizzato nei laboratori di Bioinspired Soft Robotics dell’IIT-Istituto Italiano di Tecnologia a Genova, coordinati da Barbara Mazzolai, in collaborazione con l’Università di Trento. Il seme artificiale è l’unico prototipo al mondo in grado di trasformarsi e muoversi nell’ambiente in modo autonomo, e potrà trovare applicazioni in vari ambiti, dal monitoraggio ambientale alla riforestazione.
Il lavoro è stato pubblicato su Advanced Science, conquistandosi anche la copertina della rivista, e nasce nell’ambito del progetto europeo I-Seed, di cui IIT è capofila, volto alla creazione di robot innovativi ispirati ai semi delle piante e in grado di agire come sensori per il monitoraggio dei parametri di salute del suolo, quali la presenza di inquinanti come il mercurio, e dell’aria, come i livelli di CO2, temperatura e umidità.
Il primo seme artificiale I-Seed è ispirato alla struttura del seme di un geranio di origini sud-africane, il Pelargonium appendiculatum, di cui replica la struttura igromorfica, ovvero in grado di mutare forma in reazione alle variazioni di umidità nell’ambiente.
“I nostri studi iniziano dall’osservazione della natura, con l’obiettivo di imitare le strategie degli esseri viventi o delle loro strutture e replicarle in tecnologie robotiche a basso impatto ambientale in termini energetici e di inquinamento”, ha spiegato Barbara Mazzolai, Associate Director per la Robotica dell’IIT e Direttrice del Bioinspired Soft Robotics Lab.
Le piante sono una continua fonte di ispirazione per il gruppo di ricerca del laboratorio Bioinspired Soft Robotics Laboratory di IIT. Dopo aver imitato le strategie di crescita e di movimento delle radici e delle piante rampicanti, in questo lavoro il gruppo si è concentrato sullo studio delle caratteristiche di movimento e dispersione delle strutture che trasportano i semi di piante della famiglia delle Gerianaceae.
Quando si verificano le giuste condizioni ambientali, questi semi si distaccano dalla pianta e, sfruttando le proprietà igroscopiche dei materiali di cui sono composti, mutano forma, e si muovono autonomamente per esplorare e penetrare il suolo, aumentando così le probabilità di germinazione. L’aspetto davvero interessante è che questi semi sfruttano tessuti morti a base di cellulosa privi di metabolismo che riescono a deformarsi, sfruttando esclusivamente le variazioni di umidità ambientale.
Analizzando a livello istologico tali tessuti, i ricercatori hanno replicato il design del seme utilizzando e combinando tecniche di stampa 3D ed elettrofilatura. Per identificare la soluzione migliore, sono stati sperimentati diversi materiali con caratteristiche adattabili al tipo di applicazione desiderata, quali per esempio materiali in grado di assorbire umidità e di espandersi, come i nanocristalli di cellulosa e ossido di polietilene, e polimeri termoplastici biodegradabili a base di Policaprolattone.
“Con questa ultima ricerca – ha aggiunto Mazzolai – abbiamo ulteriormente dimostrato che è possibile realizzare soluzioni innovative che non solo abbiano l’obiettivo di monitorare lo stato di benessere del nostro pianeta, ma che lo facciano senza alterarlo”.
“Questi robot biodegradabili e autonomi da un punto di vista energetico –– verranno utilizzati come strumenti wireless e senza batteria per l’esplorazione e il monitoraggio del suolo superficiale. Questo approccio bioinspirato ci ha permesso di realizzare strumenti a basso costo che potranno essere utilizzati per raccogliere dati in-situ con un’elevata risoluzione spaziale e temporale, soprattutto in aeree remote dove non sono disponibili dati di monitoraggio.” ha aggiunto Luca Cecchini, dottorando di IIT in collaborazione con l’Università di Trento e primo autore dello studio.
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