Det finns en gammal bondesaga som säger:"En lugn natt kan du höra majsen växa." Det kan verka roligt, men Douglas Cook vid New York University och kollegorna Roger Elmore och Justin McMechan, vid University of Nebraska, kunde använda kontaktmikrofoner för att direkt spela in ljudet av majsodling.
Majs är den ledande spannmålsgrödan i USA med mer än 350 miljoner ton skördade årligen. Men en bristande förståelse för mekaniken som är involverad i vind-inducerad majsstjälkfel har hindrat ytterligare förbättringar i majsproduktionen. Spårforskare har arbetat med detta problem i mer än 100 år, om än med endast marginell framgång.
Nu, genom att tillämpa maskintekniska verktyg och tekniker, en grupp ingenjörer och växtforskare under ledning av Cook gör framsteg när det gäller att ta itu med detta problem och upptäcker andra frågor relaterade till växternas tillväxt och utveckling.
Under det 172:a mötet för Acoustical Society of America och det 5:e gemensamma mötet med Acoustical Society of Japan, hålls 28 november-dec. 2, 2016, i Honolulu, Hawaii, Cook kommer att beskriva sitt arbete med akustiska utsläppstekniker för att utforska majsstjälktillväxt och brott.
"Materialbrott är ungefär som en mikroskopisk jordbävning:det plötsliga släppet av inre spänningar skickar ljudvågor som strålar i alla riktningar, ", förklarade Cook. "Vi använder speciella sensorer som kallas piezoelektriska kontaktmikrofoner för att övervaka ljudet som sänds ut av majsstjälkar precis innan fel. Detta hjälper oss att förstå felprocessen tydligare."
Så hur låter det? "Förvånande, det låter anmärkningsvärt likt de ljud som görs när majs går sönder, ", sa Cook. "Vi tror nu att växttillväxt involverar miljontals små brotthändelser, och att dessa brott får anläggningen att skynda sig att "reparera" de trasiga områdena. Genom att kontinuerligt bryta och reparera, växten kan växa sig längre och längre."
Även om forskarna ännu inte har bestämt om detta är sant för alla växter, Cook föreslog att det kan vara en mekanism som liknar den som är involverad i muskelutveckling:Att lyfta vikter ger små mikrotårar i muskeln och, när dessa repareras, muskeln stärks.
Denna spännande upptäckt är resultatet av sammansmältningen av två till synes orelaterade discipliner:växtvetenskap och maskinteknik.
"Många grödor går förlorade varje år på grund av vindskador, ", sa Cook. "Ingenjörer vet mycket om hur man förhindrar strukturella fel, och genom att använda naturliga förädlingstekniker kan växtforskare förbättra praktiskt taget alla egenskaper hos växten som de kan mäta. Så du kan föreställa dig att en hel del framsteg i anläggningens strukturella integritet kan uppnås genom att dessa två discipliner arbetar tillsammans."
När det gäller applikationer, "Detta är ett mycket ungt forskningsfält, så det mesta av vårt arbete är fortfarande ganska grundläggande, " sa Cook. "Vi lär oss om växttillväxt och brott, vilket kan vara användbart för uppfödare när de utvecklar optimalt utformade växter."
Till exempel, de har lärt sig att bladen på majsväxter faktiskt ger det mesta av det strukturella stödet under perioder av snabb tillväxt. Det är ganska fantastiskt enligt Cook – och inte en roll som ett löv vanligtvis förväntas spela. Så det borde hjälpa växtforskare att börja utveckla nya sorter med tuffare blad som är mindre mottagliga för misslyckanden under tillväxtfasen.
Cooks bakgrund är i mänsklig biomekanik, så han och kollegor använder för närvarande datoriserad tomografi (CT)-teknik för att få 3D-bilder av växter.
"Vi planerar också att använda magnetisk resonanstomografi (MRI) teknologi för att visualisera majs tillväxt och utveckling, Cook tillade. "Vi skulle vilja lära oss mer om stalkfel – med målet att identifiera den "svagaste länken" i stalkfelsprocessen. När den väl har identifierats, växtforskare kan försöka förbättra stjälkstyrkan och motståndskraften."
