在2010年代初，机器人技术的新趋势开始出现。工程师们开始创造蝾螈、蜻蜓、章鱼、壁虎和蛤蜊的机器人版本——一个如此多样化的仿生学生态系统，被描述为“动物机器人”。然而，意大利生物学家出身的工程师芭芭拉·马佐莱(Barbara Mazzolai)提出，要超越动物，以一个完全不同的生物王国——植物为灵感，制造一种机器人，这一提议引起了人们的惊讶。尽管这个词的定义很灵活，但大多数人都会同意机器人是一种会移动的机器。但是运动并不是植物出名的地方，所以机器人植物一开始听起来可能很无聊。
但事实证明，植物并不是静态的，也不是无聊的;你只需要在正确的时间和地点寻找行动。当你看着热带森林茂盛的植被，或者惊叹于英国花园的色彩时，你很容易忘记你实际上只看到了你面前一半的植物。也许是最漂亮的部分，但不一定是最聪明的部分。我们通常看到的是植物的生殖和消化系统:传播花粉和种子的花朵和果实，以及从阳光中提取能量的叶子。但是神经系统，可以这么说，探索环境并做出决定的系统实际上是在地下，在根部。
根可能是丑陋的，注定要生活在黑暗中，但它们牢牢地锚住了植物，不断地从土壤中收集信息，决定向哪个方向生长，寻找营养，避免土壤盐碱化，防止干扰其他植物的根。它们可能不是最快的挖掘者，但它们是最有效的挖掘者，它们只需要蠕虫、鼹鼠或人造钻头所需的一小部分能量就能穿透地面。换句话说，植物的根是一个奇妙的地下探索系统，这就是马佐莱创造机器人的灵感。
马佐莱的思想道路是跨学科研究的一个案例。她出生并成长在托斯卡纳的比萨地区，比萨地区是意大利机器人研究的热点之一，她很早就对所有生物的研究着迷，毕业于比萨大学生物学专业，专攻海洋生物学。随后，她对监测生态系统的健康状况产生了兴趣，这种兴趣使她获得了微工程博士学位，并最终得到了比萨圣安娜高等学校(Scuola Superiore Sant’anna)生物机器人技术先驱保罗·达里奥(Paolo Dario)的邀请，有可能开辟一条用于环境感知的机器人技术研究新路线。
正是在那里，保罗·达里奥(Paolo Dario)的团队，播下了她以植物为灵感的机器人的第一颗种子。她回忆说，Mazzolai与欧洲航天局(ESA)的一个小组取得了联系，该小组负责探索创新技术，这些技术看起来很有趣，但离应用还很远。在与他们进行头脑风暴时，她意识到太空工程师正在努力解决一个问题，而这个问题在几亿年前就被植物出色地解决了。
“在真正的植物中，根有两个功能，”Mazzolai说。“它们在土壤中寻找水分和养分，但更重要的是，它们固定了植物，否则植物就会崩溃和死亡。”在设计必须对遥远的行星或小行星进行采样和研究的系统时，锚定恰好是一个未解决的问题。在大多数情况下，从月球到火星以及遥远的彗星和小行星，引力都很弱。与地球上不同的是，航天器或探测器的重量并不总是足以将其牢牢地固定在地面上，唯一可行的选择是为航天器配备鱼叉、挤压钉和钻头。但随着时间的推移，如果土壤蠕变，这些系统就会变得不可靠，即使它们一开始是有效的。例如，菲莱号(Philae)的机器人着陆器在经过10年的飞行后，于2014年抵达67P/丘留莫夫-格拉西门科彗星(Churyumov-Gerasimenko)，但在下降结束时未能锚定，从地面反弹回来，只收集了计划测量的一部分。
在2007年至2008年间为ESA进行的一项简短的可行性研究中，Mazzolai和她的团队发挥了他们的想象力，并描述了一种受植物根系启发的航天器锚定系统。该研究小组还包括佛罗伦萨的植物学家斯特凡诺·曼库索(Stefano Mancuso)，他后来因提出植物表现出“智能”行为的观点而闻名，尽管这种行为与动物的行为完全不同。Mazzolai和她的团队描述了一个理想的系统，它可以复制并转移到其他行星上，地球植物通过土壤挖掘并锚定在土壤上的能力。
在ESA的研究中，Mazzolai设想了一艘宇宙飞船在一颗行星上硬着陆:撞击会在行星表面挖一个小洞，在土壤中插入一颗“种子”，这与真正的种子没有太大的不同。从那里开始，一个机器人根将通过将水泵入一系列模块化的小室来开始生长，这些小室将扩大并对土壤施加压力。即使在最好的情况下，这样的系统也只能挖掘松散和细小的灰尘或土壤。树根必须能够感知地下环境，并避开坚硬的基岩。Mazzolai认为火星是太阳系中最适合试验这样一个系统的地方——比月球或小行星更好，因为火星表面的重力和大气压力都很低(分别是地球的1/3和1/10)。再加上大部分是沙质的土壤，这些条件将使挖掘更容易，因为将土壤颗粒聚集在一起并压实它们的力比地球上的要弱。
当时，欧空局并没有推进类似植物的行星探测器的想法。“这太未来主义了，”Mazzolai承认。“它所需要的技术还没有出现，事实上现在也还没有。”但她认为，太空领域以外的其他人会觉得这个想法很有趣。2012年，在转到意大利理工学院(Italian Institute of Technology)后，马佐莱说服欧盟委员会(European Commission)资助了一项为期三年的研究，该研究将研发出一种以植物为灵感的机器人，代号为Plantoid。“这是一个未知的领域，”马佐莱说。“这意味着创造一个没有预定义形状的机器人，可以在土壤中生长和移动——一个由独立单元组成的机器人，可以自我组织并集体做出决定。”它迫使我们重新思考一切，从材料到机器人的传感和控制。”
这个项目面临两大挑战:在硬件方面，如何创造一个正在成长的机器人;在软件方面，如何使根能够收集和共享信息，并利用它来做出集体决策。Mazzolai和她的团队首先解决了硬件问题，并将机器人的根部设计为灵活的，铰接的圆柱形结构，其驱动机构可以向不同方向移动它们的尖端。Mazzolai最终设计了一个实际的生长机制，而不是为ESA最初的研究设计的延伸机制，本质上是一个微型3D打印机，可以不断地在根尖后面添加材料，从而将其推入土壤。
它是这样工作的。一根塑料线缠绕在机器人中央轴上的卷轴上，由一个电动机将其拉向尖端。在针尖内部，另一个马达将导线推入一个由电阻加热的孔中，然后将其推出，加热并粘在针尖后面，“这是根部唯一始终保持自身的部分，”Mazzolai解释道。尖端安装在一个滚珠轴承上，独立于结构的其余部分旋转和倾斜，灯丝被金属板强迫缠绕在它周围，就像吉他弦的缠绕一样。在任何给定的时间，新的塑料层都会将旧的塑料层从尖端推开并粘在上面。当它冷却下来时，塑料就会变成固体，并形成一个刚性的管状结构，即使进一步的沉积把它推到金属板上面，它也能保持在原地。想象一下，把绳子绕在一根棍子上，绳子在你缠绕完几秒钟后就会变硬。然后你可以把棍子推得更远一点，在它上面缠绕更多的绳子，用同样的短棍子做一个越来越长的管子作为临时的支撑。尖端是机器人唯一的运动部分;根部的其余部分只是向下延伸，轻轻地但无情地把根尖推到土壤上。
这个类植物机器人的上部树干和树枝上布满了柔软的折叠叶子，它们轻轻地向光线和湿度移动。植物叶片还不能将光转化为能量，但世界上被引用最多的科学家之一、瑞士洛桑EPFL的化学教授迈克尔·格雷策尔(Michael Graetzel)已经开发出了一种透明的、可折叠的薄膜，里面充满了合成叶绿素，能够转换和储存光能，有朝一日，这种薄膜可以制成人造叶片，为植物机器人提供动力。“事实上，根只从尖端对土壤施加压力，这使得它与传统的钻头有本质的不同，传统的钻头非常具有破坏性。相反，根会寻找现有的土壤裂缝来生长，只有当它们没有找到裂缝时，它们才会施加足够的压力来自己制造裂缝，”Mazzolai解释说。
plantoid项目吸引了机器人社区的大量关注，因为它结合了一些有趣的挑战——生长、变形、集体智慧——以及可能的新应用。环境监测是最明显的一个:机器人根系可以测量土壤中化学物质浓度的变化，尤其是有毒物质，或者它们可以在干旱的土壤中寻找水，以及石油和天然气——尽管，当这项技术成熟时，我们最好已经不再依赖它们作为地球上的能源。它们还可以激发新的医疗设备，比如更安全的内窥镜，它可以在体内移动而不损害组织。但太空应用仍在马佐莱的关注范围之内。
与此同时，Mazzolai开始了另一个以植物为灵感的项目，名为Growbot。这一次的重点是在地面上发生的事情，灵感来自爬树。“从进化的角度来看，攀缘植物的入侵表明它们是多么成功，”她指出。“它们没有建立坚实的树干，而是利用额外的能量来生长，比其他植物移动得更快。”它们非常善于利用环境中的线索找到停泊的地方。它们利用光，化学信号，触觉感知。它们可以感觉到它们在土壤中的锚是否足够牢固，足以支撑植物在地面上的那一部分。”这里的想法是建造另一个生长机器人，类似于植物的根，可以克服空隙并附着在现有的结构上。她指出:“虽然植物机器人必须面对摩擦，但生长机器人可以对抗重力。”这个新项目可能有一天会使机器人探险者能够在黑暗的环境中工作，比如洞穴或井。
但对于她所有的机器人，Mazzolai仍然关注着开始这一切的有远见的想法:种植并让它们在其他星球上生长。“当我们第一次提出这个建议时，还为时过早;我们几乎不知道如何研究这个问题。现在我希望再次开始与太空机构合作。”她说，以植物为灵感的机器人不仅可以对土壤取样，还可以释放化学物质，使土壤更肥沃——无论是在地球上还是在改造过的火星上。除了锚定，她还设想未来机器人工厂可以用来从零开始发展整个基础设施。她解释说:“随着它们的生长，类植物的根和生长机器人的树枝会形成一个中空的结构，可以用电缆或液体填充。”在火星这样的恶劣环境中，这种自主发展基础设施的能力将会产生很大的影响。在火星上，一群受植物启发的机器人可以分析土壤，寻找水和其他化学物质，创造一个稳定的结构，包括水管、电线和通信电缆:这种结构是宇航员在火星上旅行一年之后想要找到的。
