“Inteligencia de las Plantas” e Investigación Robótica (Raíces y Fitorobótica)

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En el laboratorio de Barbara Mazzolai (ver al pinchar en el enlace el video adjunto) Fuente: Popular Science

La naturaleza es fuente inagotable de inspiración para la ciencia y la tecnología. Y así por ejemplo, la biomimética es definida por algunos como  la “tecnología que imita a la naturaleza”. Del mismo modo, la Robótica y el diseño de robots basados en las propiedades de los organismos vivos, es decir la  biorobótica resulta ser una disciplina emergente. Sin embargo, como se abunda en la interesante noticia que abordamos hoy, los investigadores suelen prestar mucha atención al mundo animal y casi ninguna al vegetal. Sin embargo las cosas comienzan a cambiar, como denuncia la mentada nota de prensa que lleva por título “Barbara Mazzolai: Construir un robot que imite a las plantas”.

 No obstante debemos recordar que el interés por modelizar la estructura de las plantas no es nuevo.  En febrero de 1989 tuve el placer de cenar en la casa de Aristid Lindenmayer en el chalet que tenía en los alrededores de la localidad de Utrecht (Holanda). Tipo afable y talentoso desarrolló los sistemas-L o sistemas de Lindenmayer, basados en la geometría fractal y el mundo de las plantas, con los cuales se elaboraron paisajes que lograron alcanzar una gran popularidad en alguna superproducción cinematográfica de ciencia ficción realizadas por la productora de George Lucas. Lamentablemente falleció relativamente joven pocos meses después. Ya os comentaré algún día aquella conmovedora velada con un científico tan honesto como afamado (que no al revés, como suele espetarse de acuerdo con un orden de prioridades que detesto). Obviamente las raíces son estructuras fractales, como hemos reiterado en varios post, tales como este: Geometría fractal en la ciencia del suelo. También nos vemos obligados a recordar que la geometría radicular es semejante, en casi todas sus propiedades, a la de las Redes de drenaje. También las antenas fractales emulan la morfología de los sistemas radicales de las plantas. Barbara Mazzolai, como podréis leer seguidamente, da cuenta de una nueva línea de investigación que pretende sacar partido de las propiedades, y funciones de las raíces de las plantas en la construcción de nuevos robots, analizando sus propiedades en el suelo, adaptación a ambientes cambiantes, optimización  en el consumo de energía y absorción de nutrientes, etc. etc.

Este tipo de investigaciones puede interesarnos a los edafólogos y fisiólogos vegetales debido a que una modelización exitosa ampliaría de paso nuestros conocimientos sobre la estructura y dinámica del sistema suelo-raíces, como la propia Bárbara reconoce al afirmar que:  (…) las plantas suelen considerarse organismos pasivos incapaces de desplazarse, comunicarse o escapar de un entorno hostil. La principal innovación del proyecto pasa por observar las plantas desde una perspectiva distinta y considerar sus propiedades estructurales, funcionales y fisiológicas como una fuente revolucionaria de inspiración para la robótica y las TIC (…). En paralelo, pretendo aumentar el conocimiento que se posee sobre el sistema biológico que se emplee como modelo. No obstante debemos reseñar que, aunque la entrevista a Bárbara omite el tema, el hecho de que las raíces atesoren una geometría fractal ya les proporciona una serie de propiedades de lo más interesante, con independencia de las que ella pueda indagar.  Esta investigadora pretende emular el crecimiento de los sistemas radicales en el propio suelo, usando materiales sintéticos, lo cual podría aportar una valiosa información sobre estas estructuras. Empero tampoco podemos olvidar que muy a menudo la exploración mejora mediante la simbiosis entre estas estructuras y la  micorrizas, aspecto que al parecer es omitido, por lo que me aventuraría a predecir que serán menos eficientes que las naturales.

La noticia se encuentra muy bien redactada, habla realmente del medio edáfico, utilizando estos mismos términos (algo inaudito en el quehacer bastante chapucero de los plumillas españoles), por lo que merece la pena leerla en su totalidad. En consecuencia recomiendo su lectura, y interrumpo mi desiderata.  Bravo Bárbara y ánimo.

Juan José Ibáñez

Barbara Mazzolai: Construir un robot que imite a las plantas

A los robots se les asocia una imagen humanoide, tal y como se muestran en innumerables películas de ciencia ficción, aunque a veces también se les imagina como poco más que ordenadores móviles. Un proyecto financiado con fondos europeos se inspira en la inteligencia y eficacia de las estrategias vegetales para desarrollar una generación nueva de robots y tecnologías de TIC con capacidades como la detección o la inteligencia distribuida adaptativa.

FUENTE | CORDIS: Servicio de Información en I+D Comunitario 08/07/2014

  Según explicó la Dra. Barbara Mazzolai, del Centro de Microbiótica del Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) y coordinadora de dicho proyecto, las raíces vegetales son como excavadoras naturales y sus características (crecimiento adaptativo, movimientos eficaces con respecto al gasto energético y capacidad para penetrar en el suelo en cualquier ángulo) son interesantes desde el punto de vista de la ingeniería.

De hecho, su naturaleza sésil les ha hecho desarrollar la capacidad de responder a una amplia gama de señales y adaptarse con eficacia a condiciones medioambientales cambiantes. Los componentes de las plantas están optimizados para reducir el consumo de energía durante sus movimientos y dichas capacidades ofrecen una amplia gama de soluciones para la robótica basadas en métodos para los que no es necesario emplear músculos y que distan de los característicos en los animales.

La Dra. Mazzolai explicó en detalle su trabajo en el proyecto PLANTOID en una entrevista concedida a la revista de resultados de research*eu.

Pregunta. ¿Cuáles son los objetivos principales del proyecto PLANTOID?
Respuesta. El objetivo del proyecto pasa por diseñar, prototipar y validar una generación nueva de sistemas robóticos y tecnologías informáticas de hardware y software que se inspira en las raíces de las plantas. Los sistemas robóticos basados en las raíces vegetales cuentan, al igual que estas, con capacidades distribuidas de detección, ejecución e inteligencia para explorar y vigilar el entorno edáfico. En este proyecto se están investigando múltiples características de las plantas y de sus raíces, por ejemplo la capacidad de crecimiento y de movimiento en respuesta a estímulos externos, el crecimiento a partir de la punta de la raíz mediante la adición de células y la producción de folículos laterales a fin de reducir la fricción y la presión necesaria para penetrar en el suelo, capacidades sensoras con las que detectar una serie de variables físicas y químicas presentes en el entorno, un accionamiento osmótico que las plantas usan para realizar movimientos rápidos o lentos, y un comportamiento emergente mediante la coordinación de las raíces del organismo al completo destinado a alcanzar objetivos de manera óptima.

P. ¿Qué novedades o innovaciones aporta este proyecto?
R. Las plantas no se han considerado por norma general como modelo de inspiración para diseñar y desarrollar tecnologías nuevas
, sobre todo en el ámbito de la robótica. Esto probablemente se deba a sus principios operativos, completamente distintos a los de los animales, y a las dificultades que entraña estudiar sus movimientos y características. En consecuencia, las plantas suelen considerarse organismos pasivos incapaces de desplazarse, comunicarse o escapar de un entorno hostil. La principal innovación del proyecto pasa por observar las plantas desde una perspectiva distinta y considerar sus propiedades estructurales, funcionales y fisiológicas como una fuente revolucionaria de inspiración para la robótica y las TIC. Las plantas cuentan con estrategias evolutivas destinadas a reducir el consumo de energía y a optimizar el aprovechamiento de los recursos a su disposición. De PLANTOID surgió el primer robot diseñado para crecer en un modo similar al de las raíces de las plantas, esto es, utilizando las mismas estrategias para penetrar y explorar el suelo de manera eficaz.

P. ¿Qué le impulsó a fijarse en la naturaleza para diseñar tecnologías?
R. Mi objetivo personal con respecto a la biorrobótica reside en ampliar el conocimiento que se posee sobre la naturaleza y los mecanismos que rigen las criaturas vivas para así definir, diseñar y fabricar dispositivos artificiales y robots inspirados en la biología. El método seguido pasa por elegir sistemas biológicos (las plantas en este caso) que posean características deseables para robots. A continuación se identifican y extraen los principios clave que rigen estas funciones biológicas y se convierten en soluciones técnicas. En paralelo, pretendo aumentar el conocimiento que se posee sobre el sistema biológico que se emplee como modelo. Para ello no basta con copiar a la naturaleza, sino que es necesario seleccionar detenidamente modelos biológicos de los que se puedan extraer principios fundamentales para su posterior conversión en un dispositivo artificial.

P. ¿Qué obstáculos se han encontrado hasta ahora y cómo los han solucionado?
R. Un entorno no estructurado como el suelo implica contar con métodos innovadores. Para ello se propuso un robot capaz de crecer, similar a una raíz que penetra en el suelo extendiendo su propia estructura mediante una técnica de adición de capas
. Las capas de material nuevo se depositan junto al vértice del dispositivo para producir fuerza motora en este punto y cuenta con una estructura tubular hueca que se prolonga hasta la superficie del suelo. La inclusión de material en la punta reduce la fricción prácticamente a cero y los laterales del tubo no se mueven, por lo que se reduce el consumo de energía necesario para penetrar en el suelo.

P. ¿Cuáles son los resultados concretos de la investigación hasta ahora?
R. El primer prototipo de PLANTOID cuenta con dos raíces artificiales, una que incorpora los sistemas de crecimiento artificial y penetración edáfica mediante la adición de materiales, y otra que permite dotar al sistema de varios niveles: los sistemas sensores de temperatura, humedad, gravedad y tacto y la electrónica necesaria para condicionar el sensor y controlar los actuadores. Las dos raíces se integran en un tronco que contiene una placa microcontroladora con capacidades de comunicación. Las ramas del tronco cuentan con hojas artificiales fabricadas con materiales que reaccionan a cambios en las condiciones medioambientales como la humedad y la temperatura. Esta configuración servirá de base para realizar estudios más complejos sobre la estructura jerárquica de la pared celular vegetal. En lo referente a componentes, se crearon actuadores osmóticos nuevos que pueden utilizarse como componentes en sí mismos (por ejemplo en la liberación de fármacos) o utilizarse para doblar la raíz robótica. En la raíz robótica se integrarán varios sensores con los que detectar parámetros como la gravedad, la temperatura, el tacto, la humedad, el sodio (Na+), el potasio (K+), el pH, el nitrato (NO3) y el fosfato.

P. ¿Qué ventajas aporta participar en un proyecto europeo de este tipo?
R. Los proyectos europeos como PLANTOID permiten integrar distintas competencias y capacidades, aumentar el grado de multidisciplinariedad, resolver problemas complejos y entablar colaboraciones científicas y tecnológicas nuevas. Además, estos proyectos sirven de formación para muchos investigadores jóvenes dispuestos a participar en la arena europea.

P. ¿Qué etapas restan del proyecto o qué temas quedan por investigar?
R. A continuación nos dedicaremos a integrar las funciones señaladas en una raíz robótica que incluya sensores, actuadores, unidades de control, una zona de alargamiento o crecimiento y una zona de flexión. Las raíces robóticas permitirán penetrar y moverse en el suelo en función de la gravedad o la proximidad al agua u otras sustancias químicas. En lo referente a la ingeniería, nuestro objetivo pasa por desarrollar robots flexibles inspirados en las plantas capaces de crecer a partir de la inclusión de materiales nuevos. Para ello será necesario desarrollar o utilizar sensores flexibles nuevos basados en materiales dúctiles y lograr arquitecturas robóticas y de control distribuidas. Un tema interesante de estudio reside en las estructuras vegetales que aprovechan la energía del entorno para moverse o poner en práctica estrategias de movimiento eficaces. Otra cuestión importante que pretendemos resolver es si las plantas muestran un comportamiento inteligente. La inteligencia vegetal podría definirse sencillamente como la variabilidad adaptativa del crecimiento y el desarrollo de un organismo durante su vida.

El aprovechamiento de las capacidades adaptativas de las plantas podría dar lugar al desarrollo de dispositivos inteligentes que, además de contar con capacidades de detección, sean capaces de responder a estímulos y tomar decisiones para cumplir las tareas encomendadas. Las aplicaciones de este tipo de tecnologías inspiradas en los vegetales pueden estar en la vigilancia y la exploración de suelos en busca de sustancias contaminantes o depósitos minerales -en este u otros planetas- o en el ámbito médico y quirúrgico en forma de endoscopios flexibles que puedan variar su orientación y crecer en órganos humanos delicados.

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Comentarios

[...] insustanciales. Sin embargo, no es así. Ya os explicamos en otro post precedente titulado: “Sobre la Inteligencia de las Plantas y la Investigación Robótica (Raíces y Fitorobótica)” que se estaba desarrollando un macro-proyecto europeo para construir un tipo de robots cuyas [...]

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