Bitkilerle Sohbet: Venüs Sinekkapan Bitkisi ile İletişim Kuran Bir Cihaz Geliştirildi

Fotoğraf-1: Venüs sinekkapan bitkisi, tetiklendiğinde böceklerin üzerine kapanan, tüylü, çene gibi yaprak loblarına sahip etçil bir bitkidir. (1)

Singapur’daki Nanyang Teknoloji Üniversitesi (NTU Singapur) liderliğinde bir gurup bilim insanı, bitki ile cihaz arasında elektrik sinyalleri iletebilen bir cihaz geliştirerek, bitkilerden yararlanan yeni teknolojilerin yolunu açtı.

NTU ekibi, hidrojel olarak bilinen yumuşak ve sıvı bir yapıştırıcı kullanmak suretiyle Venüs sinekkapan bitkisinin yüzeyine uyumlu bir metalik elektrot takarak bitki iletişim cihazını geliştirdi. Sinekkapanın yüzeyine takılan elektrot ile araştırmacılar iki işlem gerçekleştirebiliyorlar: bitkinin çevresine nasıl tepki verdiğini izlemek için elektrik sinyallerini almak ve bitkinin yapraklarını kapatmasını sağlamak için bitkiye elektrik sinyallerini iletmek.

Fotoğraf-2: Elektrik sinyallerini kullanarak bitkilerle “iletişim kurmanın” bir yolu. Bitki iletişim cihazı, bir Venüs sinekkapan bitkisinin yüzeyine tutturuldu (resmin sağ üst kısmında). Kaynak: NTU Singapur

Bilim insanları, bitkilerin çevrelerini algılamak ve bunlara tepki vermek için elektrik sinyalleri yaydığını yıllardır biliyorlar. NTU araştırma ekibi, bitkilerin elektrik sinyallerini ölçme yeteneğini geliştirmenin, küçük kırılgan nesneleri toplamaya yardımcı olabilecek bitki bazlı robotlar gibi bir dizi yararlı uygulama için fırsatlar yaratabileceğine veya mahsullerdeki hastalıkları erken tespit ederek gıda güvenliğini artırmaya yardımcı olabileceğine inanıyorlar.

Bununla birlikte, bitkilerin elektrik sinyalleri çok zayıftır ve yalnızca elektrot bitki yüzeyi ile iyi temas ettiğinde tespit edilebilirler. Bitkilerin tüylü, mumsu ve pürüzlü yüzeyleri, herhangi bir ince filmli elektronik cihazın takılmasını ve güvenilir sinyal iletimi elde edilmesini zorlaştırır.

Bu zorluğun üstesinden gelmek için NTU ekibi, kalp tarafından üretilen elektriksel aktiviteyi ölçerek kalp anomalilerini tespit etmede kullanılan elektrokardiyogramdan (EKG) esinlendi.

Video: Bitkilerle Sohbet: NTU liderliğindeki bir gurup bilim insanı, bitkilerle “iletişim kurabilen” bir cihaz geliştirdi. Bu cihaz bitkilere elektrik sinyalleri gönderebiliyor ve bitkilerden elektrik sinyalleri alabiliyor. Cihazın potansiyel kullanımları arasında gıda güvenliğini artırmak için tarım ürünlerinin sağlığının izlenmesi ve küçük, kırılgan nesneleri toplamaya yardımcı olabilecek robo-bitkiler yer alıyor. Kaynak: NTU Singapur (2)

İstenildiğinde Bitki Bazlı Bir Robot Oluşturmak İçin Elektrik Sinyallerini İletme

Bu kavramın ispatı için, bilim insanları bitki iletişim cihazını aldılar ve onu bir Venüs sinekkapan bitkisinin yüzeyine bağladılar. Venüs sinekkapan bitkisi, tetiklendiğinde böceklerin üzerine kapanan, tüylü, çene gibi yaprak loblarına sahip etçil bir bitkidir.

Cihaz 3 mm çapında olup bitkiye zararsızdır. Bitkiden gelen elektrik sinyallerini başarılı bir şekilde tespit ederken bitkinin fotosentez yapma yeteneğini etkilemez. Elektrik sinyallerini cihaza belirli bir frekansta iletmek için bir akıllı telefon kullanan ekip, komut verildiğinde Venüs sinekkapanının yapraklarını 1,3 saniyede kapatmasını sağladı.

Araştırmacılar ayrıca Venüs sinekkapanını robotik bir kola bağladılar ve, akıllı telefon ve iletişim cihazı aracılığıyla, yaprağını uyararak kapanmasını ve yarım milimetre çapında bir tel parçasını yakalamasını sağladılar.

Araştırma ekibi, Ocak ayında Nature Electronics (3) adlı bilimsel dergide yayınlanan bulgularının, bitki bazlı teknolojik sistemlerin gelecekteki tasarımına ilişkin olasılıkları gösterdiğini söylüyor. Bu yaklaşımları, günümüzde kullanılan sert malzemelerden yapılmış tutuculardan zarar görebilecek kırılgan nesneleri toplamak için yumuşak, esnek bitki materyalinin robotiklere entegre edilmesi ile, daha hassas robot kıskaçlar oluşturulmasını sağlayabilir.

Fotoğraf-3: Elektrik sinyalleri bir akıllı telefon kullanılarak bitkiye iletilir ve telefondan verilen komut ile Venüs sinekkapanının çenelerini kapatması sağlanır. Kaynak: NTU Singapur (3)

Tarım Ürünlerinin Sağlığını İzlemek İçin Elektrik Sinyallerini Toplama

Araştırma ekibi, geliştirdikleri bu bitki iletişim cihazını kullanarak, çiftçilerin mahsullerini korumak için tedbir alabilecekleri bir gelecek öngörüyor.

Çalışmanın baş yazarı, Singapur Nanyang Teknoloji Üniversitesi’nde Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölüm Başkanı Profesör Chen Xiaodong diyor ki:

“İklim değişikliği, tüm dünyada gıda güvenliğini tehdit ediyor. Bitkilerin elektrik sinyallerini izleyerek, olası tehlike sinyallerini ve anomalileri tespit edebiliriz. Tarım amacıyla kullanıldığında, çiftçiler bir hastalığın hangi aşamada olduğunu, hatta ürünlerin üzerinde sararmış yaprakların görülmesi gibi tam gelişmiş belirtiler ortaya çıkmadan çok önce bile, öğrenebilirler. Bu bize bitki populasyonunda mahsul verimini en üst düzeye çıkarmak için hızlı hareket etme fırsatı sağlayabilir.”

NTU’ daki Esnek Cihazlar İnovatif Merkezi’nin (the Innovative Centre for Flexible Devices – iFLEX) de direktörü olan Prof Chen, bitkilerin izlenmesi için iletişim cihazının geliştirilmesinin, sürdürülebilir bir gelecek için ileri teknolojik çözümler üretmeyi hedefleyen NTU Akıllı Kampüs vizyonuna örnek teşkil ettiğini de sözlerine ekliyor.

Yeni Nesil İyileştirme: Daha Güçlü Yapışma Mukavemetine Sahip Sıvı Tutkal

Bitki iletişim cihazının performansını iyileştirmek isteyen NTU bilim insanları, Singapur Bilim, Teknoloji ve Araştırma Ajansı’nın (A* STAR) bir birimi olan Malzeme Araştırma ve Mühendislik Enstitüsü’ndeki (IMRE) araştırmacılarla da işbirliği yaptılar.

Bu ayrı çalışmanın sonuçları, Mart ayında Advanced Materials bilimsel dergisinde yayınlandı (4). Bu çalışmada “termojel” adı verilen ve oda sıcaklığında kademeli olarak sıvı halden esnek bir jele dönüşen bir hidrojel türü kullanıldı. Bitkilerin çevreye tepki olarak hareket etmesine ve büyümesine rağmen, termojel kullanmak suretiyle, bitki iletişim cihazını farklı yüzey dokularına sahip olan daha fazla bitki çeşidine bağlamak ve daha yüksek kalitede sinyal algılamak mümkün olabildi.

Bu çalışmanın ortak-baş yazarı Profesör Chen Xiaodong, detayları şöyle açıklıyor:

“Termojel bazlı malzeme sıvı halindeyken su gibi davranıyor, bu da yapışkan tabakanın bir jele dönüşmeden önce bitkinin şekline uyabileceği anlamına geliyor. Bitki iletişim cihazının bu gelişmiş versiyonu, mesela ayçiçeğinin tüylü gövdeleri üzerinde test edildiğinde, termojelin yapışma gücü, sıradan hidrojelin yapışma gücünün dört ila beş katına ulaştı ve cihaz önemli ölçüde daha güçlü sinyaller ve daha az arka plan gürültüsü kaydetti.”

Advanced Materials çalışmasının ortak-baş yazarı ve IMRE’nin idari direktörü Profesör Loh Xian Jun ise sonucu şöyle açıklıyor:

“Cihaz artık daha fazla türde bitki yüzeyine yapışabilir, böylece bitki elektrofizyolojisi alanında daha güvenli bir şekilde ilerleyebiliriz. Bu cihaz, bitki bazlı teknolojiler için yeni fırsatlar yaratıyor.”

Projenin bir sonraki aşamasında, NTU ekibi bitki iletişim cihazının geliştirilmiş versiyonunu kullanarak yeni uygulamalar tasarlamayı hedefliyor.

Kaynak: phys.org

1. Computer-assisted Venus flytrap captures objects on demand (techxplore.com)
2. NTU Singapore scientists develop device to ‘communicate’ with plants – YouTube
3. An on-demand plant-based actuator created using conformable electrodes (ntu.edu.sg)
4. A Morphable Ionic Electrode Based on Thermogel for Non‐Invasive Hairy Plant Electrophysiology (ntu.edu.sg)