Modelos Computacionales

Mediciones basadas en video del movimiento del tallo del maíz

Medición del impacto de las raíces ortopédicas en la resistencia al alojamiento en el maíz.
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Imagen de Portada: Dos maíces alojados con las raíces arrancadas del suelo. Imagen inferior: Un maíz alojado en un campo.
Plantas de maíz alojadas. Imágenes de RL (Bob) Nielsen, Universidad Purdue.

Los vientos fuertes pueden derribar las plantas de cultivo, un proceso llamado acame. Esto los hace difíciles de cosechar y puede reducir el rendimiento del maíz en 3-25%. Si bien el maíz tiene raíces de apoyo especializadas que anclan el tallo y evitan el acame, no está claro en qué medida las raíces de apoyo y el sistema de raíces contribuyen a la resistencia al acame debido a la gran cantidad de factores que intervienen en el acame. Un método recientemente desarrollado para cuantificar rápidamente el efecto de las raíces de la riostra en el movimiento del tallo cuando se somete a cargas dinámicas.

Shaymaa Obayes, asistente de investigación de posgrado en el departamento de ingeniería civil y ambiental de la Universidad de Delaware y colegas evaluó una técnica novedosa para medir el desplazamiento de la raíz y el tallo del maíz sometido al viento utilizando mediciones basadas en video.

Tres meses después de la siembra, se seleccionaron para la prueba 4 plantas en la parte más central de la parcela de 60 pies por 30 pies. Luego, estas plantas se sometieron al viento usando un ventilador de alta velocidad.

Un gráfico de configuración de campo experimental muestra un ventilador que sopla viento a través de cuatro plantas de maíz. Cada planta tiene 5 puntos de destino resaltados a la misma altura a lo largo de la ruta y el tallo. Dos cámaras capturan su desplazamiento y esta información se envía a un sistema de gestión digital representado por una computadora.
Configuración experimental para la estación de monitoreo dinámico utilizada para la captura de video.

El desplazamiento del vástago se determinó de múltiples maneras:

  1. resolver ecuaciones teóricas basadas en mecánica de ingeniería al representar el comportamiento de flexión del maíz como una viga en voladizo basada en la viga de Euler-Bernoulli,
  2. usando la ecuación anterior y agregando un término para la rotación del vástago,
  3. empleando un modelo de elementos finitos basado en la física generado usando el software ABAQUS, y
  4. prueba de campo de un enfoque novedoso utilizando algoritmos de correlación de imágenes digitales para monitorear dinámicamente el desplazamiento.

Para emplear el enfoque de correlación de imágenes digitales, se usaron cámaras para capturar el desplazamiento bidimensional de los objetivos unidos a lo largo del tallo y la raíz de la abrazadera. Obayes explica la importancia de esta novedosa técnica: “Usar un ventilador de alta velocidad en combinación con la correlación de imágenes digitales para capturar deformaciones dinámicas sin contacto es un avance importante porque permite a los investigadores monitorear con precisión deformaciones relativamente pequeñas sin destruir el estructura o el componente. Además, los usuarios pueden posprocesar los datos utilizando imágenes basadas en video para medir las características de la planta casi instantáneamente sin un gran esfuerzo. Era importante investigar el modelado estructural de las raíces de refuerzo y el comportamiento del sistema de raíces cuando se someten a cargas dinámicas como el viento, ya que el maíz en la finca está sujeto a carga dinámica”. La mayoría de las investigaciones sobre la mecánica del vástago emplean una aplicación de fuerza estática en un solo punto.

Un gráfico que muestra la altura del tallo en el eje X y el desplazamiento horizontal en pulgadas en el eje Y. La ubicación de la altura en el tallo varía de 2 a 17,5 pulgadas. El desplazamiento horizontal varía de cero a 1,6 pulgadas. Los datos del método de correlación de imágenes digitales coinciden estrechamente con la ecuación mecánica de ingeniería teórica que incluye la rotación. Los valores de la versión 1 del modelo de elementos finitos son precisos en la parte inferior del vástago, pero son mayores que los valores de correlación de imágenes digitales por encima de las 12 pulgadas. Todos los valores de la versión 2 del modelo de elementos finitos y la ecuación mecánica de ingeniería teórica sin rotación son mayores que los valores de correlación de la imagen digital.
Comparación de desplazamiento horizontal vs. altura del tallo para una sola planta usando múltiples técnicas.

Los autores encontraron un acuerdo 90% entre el modelo de elementos finitos y los valores de desplazamiento basados en imágenes digitales. La concordancia con la ecuación teórica que incluye la rotación en el vástago y los valores basados en imágenes digitales en comparación con la ecuación teórica sin rotación resaltan la importancia de incluir la rotación en los cálculos.

Este enfoque se puede utilizar para desarrollar estrategias de mejoramiento específicas que fortalezcan las plantas para resistir patrones climáticos impredecibles y sean más resistentes al acame.

LEER EL ARTÍCULO:

Shaymaa K Obayes, Luke Timber, Monique Head, Erin E Sparks, Evaluación de los parámetros de las raíces ortopédicas y su efecto sobre la rigidez del maíz, in silico Plants, 2022;, diac008, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diac008

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