Name: הקצאת חישה רובוטית וגירויים לגידול הצמח המודרך (וידאו) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-07-01T15:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 2 s
Description: למד שיטה רובוטית אוטונומית להכוונת צמיחת צמחים באמצעות גירוי אור כחול ב-Phaseolus vulgaris. המחקר מדגים מערכות ביו-היברידיות לחקלאות מתקדמת.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

מחקר זה נתמך על ידי הפרויקט פלורה robotica שקיבל מימון של אופק של האיחוד האירופי של 2020 תוכנית המחקר והחדשנות תחת הסכם המענק, מס ' 640959. המחברים מודים Anastasios Getsopulos ואוואלד נויפלד על תרומתם בהרכבת החומרה, ו Tanja קתרינה קייזר על תרומתו לניטור ניסויים בצמחים.

<ol><li>Åstrand, B., Baerveldt, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+agricultural+mobile+robot+with+vision-based+perception+for+mechanical+weed+control%5BTitle%5D)+AND+%22Autonomous+Robots%22%5BJournal%5D)">An agricultural mobile robot with vision-based perception for mechanical weed control.</a> Autonomous Robots. 13 (1), 21-35 (2002).</li>
<li>Blackmore, B. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+systems+view+of+agricultural+robots%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+6th+European+conference+on+precision+agriculture+%28ECPA%29%22%5BJournal%5D)">A systems view of agricultural robots.</a> Proceedings of 6th European conference on precision agriculture (ECPA). , 23-31 (2007).</li>
<li>Edan, Y., Han, S., Kondo, N. Automation in agriculture. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aEdan%2C+Y+%22Springer+handbook+of+automation%22">Springer handbook of automation</a>. , Springer. Berlin, Heidelberg. 1095-1128 (2009).</li>
<li>Van Henten, E. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+autonomous+robot+for+harvesting+cucumbers+in+greenhouses%5BTitle%5D)+AND+%22Autonomous+Robots%22%5BJournal%5D)">An autonomous robot for harvesting cucumbers in greenhouses.</a> Autonomous Robots. 13 (3), 241-258 (2002).</li>
<li>Al-Beeshi, B., Al-Mesbah, B., Al-Dosari, S., El-Abd, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((iplant%3A+The+greenhouse+robot%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+IEEE+28th+Canadian+Conference+on+Electrical+and+Computer+Engineering+%28CCECE%29%22%5BJournal%5D)">iplant: The greenhouse robot.</a> Proceedings of IEEE 28th Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering (CCECE). , 1489-1494 (2015).</li>
<li>Giraldo, J. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Plant+nanobionics+approach+to+augment+photosynthesis+and+biochemical+sensing%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Materials%22%5BJournal%5D)">Plant nanobionics approach to augment photosynthesis and biochemical sensing.</a> Nature Materials. 13 (4), (2014).</li>
<li>Mazarei, M., Teplova, I., Hajimorad, M. R., Stewart, C. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pathogen+phytosensing%3A+Plants+to+report+plant+pathogens%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors%22%5BJournal%5D)">Pathogen phytosensing: Plants to report plant pathogens.</a> Sensors. 8 (4), 2628-2641 (2008).</li>
<li>Zimmermann, M. R., Mithöfer, A., Will, T., Felle, H. H., Furch, A. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Herbivore-triggered+electrophysiological+reactions%3A+candidates+for+systemic+signals+in+higher+plants+and+the+challenge+of+their+identification%5BTitle%5D)+AND+%22Plant+Physiology%22%5BJournal%5D)">Herbivore-triggered electrophysiological reactions: candidates for systemic signals in higher plants and the challenge of their identification.</a> Plant Physiology. , 01736(2016).</li>
<li>Hamann, H., et al. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aHamann%2C+H+%22Flora+robotica--An+Architectural+System+Combining+Living+Natural+Plants+and+Distributed+Robots%22">Flora robotica--An Architectural System Combining Living Natural Plants and Distributed Robots</a>. , arXiv preprint arXiv. 1709.04291 (2017).</li>
<li>Arkin, R. C., Egerstedt, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Temporal+heterogeneity+and+the+value+of+slowness+in+robotic+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+IEEE+International+Conference+on+Robotics+and+Biomimetics+%28ROBIO%29%22%5BJournal%5D)">Temporal heterogeneity and the value of slowness in robotic systems.</a> Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO). , 1000-1005 (2015).</li>
<li>Mahlein, A. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Plant+disease+detection+by+imaging+sensors-parallels+and+specific+demands+for+precision+agriculture+and+plant+phenotyping%29%5BTitle%5D)+AND+%22Plant+Disease%22%5BJournal%5D)">Plant disease detection by imaging sensors-parallels and specific demands for precision agriculture and plant phenotyping).</a> Plant Disease. 100 (2), 241-251 (2016).</li>
<li>Wahby, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+robot+to+shape+your+natural+plant%3A+the+machine+learning+approach+to+model+and+control+bio-hybrid+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+Genetic+and+Evolutionary+Computation+Conference+%28GECCO+%2718%29%22%5BJournal%5D)">A robot to shape your natural plant: the machine learning approach to model and control bio-hybrid systems.</a> Proceedings of the Genetic and Evolutionary Computation Conference (GECCO '18). , ACM. New York, NY, USA. 165-172 (2018).</li>
<li>Bastien, R., Douady, S., Moulia, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+unified+model+of+shoot+tropism+in+plants%3A+photo-%2C+gravi-and+propio-ception%5BTitle%5D)+AND+%22PLoS+Computational+Biology%22%5BJournal%5D)">A unified model of shoot tropism in plants: photo-, gravi-and propio-ception.</a> PLoS Computational Biology. 11 (2), e1004037(2015).</li>
<li>Wahby, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Autonomously+shaping+natural+climbing+plants%3A+a+bio-hybrid+approach%5BTitle%5D)+AND+%22Royal+Society+Open+Science%22%5BJournal%5D)">Autonomously shaping natural climbing plants: a bio-hybrid approach.</a> Royal Society Open Science. 5 (10), 180296(2018).</li>
<li>Liscum, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Phototropism%3A+growing+towards+an+understanding+of+plant+movement%5BTitle%5D)+AND+%22Plant+Cell%22%5BJournal%5D)">Phototropism: growing towards an understanding of plant movement.</a> Plant Cell. 26, 38-55 (2014).</li>
<li>Christie, J. M., Murphy, A. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Shoot+phototropism+in+higher+plants%3A+new+light+through+old+concepts%5BTitle%5D)+AND+%22American+Journal+of+Botany%22%5BJournal%5D)">Shoot phototropism in higher plants: new light through old concepts.</a> American Journal of Botany. 100, 35-46 (2013).</li>
<li>Migliaccio, F., Tassone, P., Fortunati, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Circumnutation+as+an+autonomous+root+movement+in+plants%5BTitle%5D)+AND+%22American+Journal+of+Botany%22%5BJournal%5D)">Circumnutation as an autonomous root movement in plants.</a> American Journal of Botany. 100, 4-13 (2013).</li>
<li>Gianoli, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+behavioural+ecology+of+climbing+plants%5BTitle%5D)+AND+%22AoB+Plants%22%5BJournal%5D)">The behavioural ecology of climbing plants.</a> AoB Plants. 7, (2015).</li>
<li>Vestartas, P., et al. Design Tools and Workflows for Braided Structures. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aVestartas%2C+P+%22Proceedings+of+Humanizing+Digital+Reality%22">Proceedings of Humanizing Digital Reality</a>. , Springer. Singapore. 671-681 (2018).</li>
<li>Pierik, R., De Wit, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Shade+avoidance%3A+phytochrome+signalling+and+other+aboveground+neighbour+detection+cues%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Experimental+Botany%22%5BJournal%5D)">Shade avoidance: phytochrome signalling and other aboveground neighbour detection cues.</a> Journal of Experimental Botany. 65 (10), 2815-2824 (2014).</li>
<li>Fraser, D. P., Hayes, S., Franklin, K. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photoreceptor+crosstalk+in+shade+avoidance%5BTitle%5D)+AND+%22Current+Opinion+in+Plant+Biology%22%5BJournal%5D)">Photoreceptor crosstalk in shade avoidance.</a> Current Opinion in Plant Biology. 33, 1-7 (2016).</li>
<li>Hogewoning, S. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photosynthetic+Quantum+Yield+Dynamics%3A+From+Photosystems+to+Leaves%5BTitle%5D)+AND+%22The+Plant+Cell%22%5BJournal%5D)">Photosynthetic Quantum Yield Dynamics: From Photosystems to Leaves.</a> The Plant Cell. 24 (5), 1921-1935 (2012).</li>
<li>McCree, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+action+spectrum%2C+absorptance+and+quantum+yield+of+photosynthesis+in+crop+plants%5BTitle%5D)+AND+%22Agricultural+Meteorology%22%5BJournal%5D)">The action spectrum, absorptance and quantum yield of photosynthesis in crop plants.</a> Agricultural Meteorology. 9, 191-216 (1971).</li>
<li>Wahby, M., et al. Autonomously shaping natural climbing plants: a bio-hybrid approach [Dataset]. , Available from:
 <a target="_blank" href="https://doi.org/10.5281/zenodo.1172160">https://doi.org/10.5281/zenodo.1172160</a> (2018).</li>
</ol>

המחברים מצהירים כי אין להם אינטרסים פיננסיים מתחרים.

המתודולוגיה המוצגת מראה שלבים ראשוניים לאוטומציה של היגוי מונחה גירויים של צמיחת צמחים, כדי ליצור דפוסים מסוימים. זה דורש תחזוקה רציפה של בריאות הצמח תוך שילוב לתוך ניסוי אחד להגדיר את המחוזות ברורים של תגובות הצמיחה הביוכימי ו מהונדסים פונקציות mechatronic-חישה, תקשורת, ודור מבוקרת של גירויים. ההתמקדות שלנו כאן היא על צמחי טיפוס, תמיכה מכנית הוא גם אינטגרלי. מגבלה של הכיוונון הנוכחי הוא קנה המידה שלה, אבל אנחנו מאמינים המתודולוגיה שלנו בקלות קשקשים. הפיגום מכני יכול להיות מורחב עבור כיוונונים גדולים ולכן תקופות ארוכות יותר של צמיחה, אשר גם מאפשר תצורות מורחבות דפוסים. כאן ההתקנה מוגבלת לשני ממדים והחלטות בינאריות שמאל-ימין, כמו צמיחה מוגבלת לרשת של תמיכה מכנית ב 45 ° מעלות, ומיקומי החלטות הצמח מוגבלים הבייונים של הרשת. הרחבות מכניות עשויות לכלול שלושה מקפלים של פיגומים וחומרים שונים, כדי לאפשר צורות מורכבות9,19. המתודולוגיה יכולה להיחשב למערכת שתגדל באופן אוטומטי דפוסים שהוגדרו על-ידי משתמש. על ידי הרחבת המורכבות האפשרית של תצורות מכניות, משתמשים צריכים להתמודד עם מגבלות מעטות על דפוסי המבוקש שלהם. עבור יישום כזה, כלי תוכנה של המשתמש צריך לאשר את התבנית היא לכאורה, ואת מכטרוניקה צריך לאחר מכן לארגן את הייצור של הדפוס על ידי יצירת גירויים מתאימים כדי לנווט את הצמחים. התוכנה צריך גם להיות מורחב כדי לכלול תוכניות שחזור ומדיניות הקובעות כיצד להמשיך עם הצמיחה אם הדפוס המתוכנן המקורי נכשל באופן חלקי-למשל אם הרובוט הפעיל הראשון מעולם לא זיהה צמח אבל הרדומים יש ראה כי המיקום של הטיפים גדל הם מעבר הרובוט המופעל.
במתודולוגיה המוצגת, דוגמה מינים צמח לפגוש את קריטריוני בחירת הפרוטוקול הוא שעועית משותפת טיפוס, P. vulgaris. זהו המין המשמש בתוצאות הנציגים. כמו P. vulgaris יש phototropism חיובי חזק כדי UV-A ו אור כחול, phototropins (חלבונים קולטן האור) במפעל יספוג פוטונים המתאימים אורכי גל 340-500 nm. כאשר הקולטנים מופעלים, הנפיחות הראשונה תתרחש בגבעול על ידי העתקת מועדפים של מים לרקמות הגזע המתנגדים קולטנים מופעלים, גרימת תגובה כיוונית הפיך. לאחר מכן, בתוך הגבעול, האוקבין (הורמון המכונה הצמח) מופנה לאותו מיקום רקמות, להנציח את תגובת כיוונית ותיקון רקמות גזע כפי שהם להתקשות. התנהגות זו יכולה לשמש לעיצוב הצמחים בתנאים אלה מקורה מבוקרת, כמו הצמחים חשופים רק אור כחול בודד ואור אדום מבודד, עם תקרית אור אדום רחוק מחיישנים IR-סמיכות ברמות נמוכות מספיק כי זה לא מפריע עם התנהגויות כגון התשובה למניעת צל20,21. תגובת phototropism במפעל מגיב ההתקנה לאור של דיודות כחולה עם פליטת שיא ƛmax = 465 nm, ו הפוטוסינתזה22,23 במפעל נתמך על ידי דיודות אדום עם פליטת שיא ƛmax = 650 nm. P. vulgaris גדל עד כמה מטרים בגובה מתאים ההתקנה הכללית, כמו בערך 3 L של קרקע גינון מסחרי הדרושים לכל סיר מתאים את קנה המידה ההתקנה.
למרות שההתקנה הנוכחית מתמקדת באור כגירוי משיכה, ייתכן שגירויים נוספים יהיו רלוונטיים לסוגי ניסוי אחרים. אם הדפוס הרצוי דורש הפרדה בין קבוצות שונות של צמחים (למשל, את הדפוס הרצוי צריך שתי קבוצות של צמחים לבחור בצדדים מנוגדים), אז זה לא יכול להיות אפשרי באמצעות סוג אחד בלבד של גירוי. עבור דפוסי צמיחה מורכבים כאלה ללא תלות בצורת פיגום, קבוצות שונות של צמחים יכולים לצמוח בתקופות זמן שונות, כך שגירויים האטרקציה שלהם אינם מפריעים, אשר גם יאפשרו שילוב של הסתעפות אירועים. עם זאת, זה לא תמיד יכול להיות פתרון מתאים, ואת הגירוי הסטנדרטי האטרקטיבי האור יכול להיות מוגבר על ידי השפעות להדוף כגון הצללה, או על ידי גירויים אחרים כמו אור אדום או מנועי רטט9,14.
השיטה המוצגת ועיצוב הניסוי הם רק צעד ראשון ראשוני לקראת מתודולוגיה מתוחכמת כדי להשפיע באופן אוטומטי על צמיחה כיוונית של צמחים. כיוונון הניסוי הוא בסיסי על-ידי קביעת רצף של החלטות בינאריות במפעלים ואנו מתמקדים באחד, קל לנהל גירוי. מחקרים נוספים יידרשו להוכיח את המשמעות הסטטיסטית של השיטה, להוסיף גירויים נוספים ולשלוט בתהליכים אחרים כגון הסתעפות. עם התפתחות מספקת כדי להבטיח את האמינות לטווח ארוך של הרובוטים, המתודולוגיה המוצגת עלולה לאפשר אוטומציה של ניסויים בצמחים על פרקי זמן ארוכים, הפחתת התקורה הקשורה למחקר של שלבי פיתוח צמחים . מעבר לזה של הצילומים שיטות דומות יכולות לאפשר לחקירות עתידיות לתוך הדינמיקה הבין-ביולוגית בין אורגניזמים ביולוגיים ורובוטים אוטונומית, כאשר שני הפועלים מצמידים בחוזקה מערכות ביו-היברידיות.

עם השכיחות הגוברת של אוטומציה בייצור וייצור, רובוטים מנוצלים לזרוע, לטפל, וצמחים הקציר1,2,3,4,5. אנו משתמשים בטכנולוגיית הרובוט כדי להפוך ניסויים צמחיים בצורה לא פולשנית, עם המטרה של ההיגוי צמיחה דרך תגובות כיוונית לגירויים. שיטות גינון מסורתיות כללו את עיצוב ידני של עצים ושיחים על ידי איפוק מכני חיתוך. אנו מציגים מתודולוגיה שיכולה להיות מוחלת על משימת עיצוב זו, על ידי היגוי דפוסי גדילה עם גירויים. המתודולוגיה המוצגת שלנו היא גם צעד לקראת ניסויים הצמח אוטומטי, כאן עם דגש ספציפי על מתן גירויים אור. לאחר הטכנולוגיה הפכה איתנה ואמינה, גישה זו יש פוטנציאל להפחית את עלויות ניסויים בצמחים כדי לאפשר ניסויים אוטומטיים חדשים כי אחרת יהיה בלתי אפשרי עקב התקורה בזמן עבודה ידנית. האלמנטים הרובוטיים ניתנים לתכנות בחופשיות ופועלים באופן עצמאי כאשר הם מצוידים בחיישנים, מפעילים למתן גירויים ומיקרו-מעבדים. בזמן שאנו מתמקדים כאן בחישה הקרבה (כלומר, מדידת מרחקים בטווח הקרוב) וגירויים קלים, אפשרויות רבות אחרות הן אפשריות. לדוגמה, ניתן להשתמש בחיישנים כדי לנתח את צבע הצמח, לנטר פעילות ביוכימית6, או לפיטוחיישן7 גישות לניטור לגבי תנאי הסביבה באמצעות אלקטרופיזיולוגיה של הצמח8. באופן דומה, אפשרויות מפעיל עשויות לספק סוגים אחרים של גירויים9, באמצעות מנועי רטט, מכשירי ריסוס, תנורים, מאווררים, מכשירי הצללה או מניפולטורים ליצירת קשר פיזי מכוון. ניתן ליישם אסטרטגיות הגשמה נוספות כדי לספק ניידות איטית לרובוטים (כלומר, ' בוטים איטיים '10), כך שהם יכולים לשנות בהדרגה את המיקום והכיוון שממנו הם מספקים גירויים. יתר על כן, כמו הרובוטים מצוידים במחשבים בעלי לוח יחיד, הם יכולים להפעיל תהליכים מתוחכמים יותר כגון מבקר עבור הפנוטיפים הצמח11 או בקרי רשת עצבית מלאכותיים עבור הגשמה12. כמו המחקר במדעי הצמח מוקד הוא לעתים קרובות על הצמיחה המוקדמת (כלומר, בנצרי)13, התחום כולו של שימוש במערכות רובוט אוטונומי להשפיע על צמחים בתקופות ארוכות יותר נראה בתוך בחקר ועלול להציע הזדמנויות עתידיות רבות. הולך אפילו צעד אחד נוסף, את האלמנטים הרובוטיים ניתן לראות אובייקטים של מחקר עצמם, המאפשר לחקור את הדינמיקה המורכבת של מערכות ביו-היברידית נוצר על ידי רובוטים וצמחים באופן מקרוב אינטראקציה. רובוטים באופן סלקטיבי להטיל גירויים על הצמחים, הצמחים להגיב בהתאם התנהגות אדפטיבית שלהם לשנות את דפוס הצמיחה שלהם, אשר מזוהה לאחר מכן על ידי הרובוטים באמצעות החיישנים שלהם. הגישה שלנו סוגרת את לולאת המשוב התנהגותי בין הצמחים והרובוטים ויוצרת לולאה בקרה הומסטטית.
בניסויים שלנו כדי לבדוק את הפונקציה של מערכת הרובוט, אנחנו באופן בלעדי להשתמש הטיפוס המשותף שעועית, Phaseolus vulgaris. בכיוונון זה, אנו משתמשים בצמחי טיפוס, עם תמיכות מכניות בפיגום הכולל גובה 180 ס מ, כגון הצמחים מושפעים על ידי thigmotropism יש קבוצה מוגבלת של כיווני הצמיחה לבחירה. בהתחשב בכך שאנחנו רוצים לעצב את המפעל כולו במשך תקופה של שבועות, אנו משתמשים גירויים אור כחול כדי להשפיע על phototropism של הצמח מאקרופיטיות, על תקופות הצמיחה השונים כולל נצרי צעיר ומאוחר יותר ההתקשות גזע. אנו מנהלים את הניסויים בתנאי תאורה הסביבה מבוקרת באופן מלא שבו מלבד גירויים אור כחול אנו מספקים אור אדום בלעדית, עם פליטת שיא באורך גל 650 ננומטר. כאשר הם מגיעים לקטיון ברשת התמיכה המכנית, הם עושים החלטה בינארית אם לצמוח שמאלה או ימינה. הרובוטים מוצבים בבייונים מכניים אלה, המופרדים באמצעות מרחקים של 40 ס מ. הם באופן עצמאי להפעיל ולבטל את emittance אור כחול שלהם, עם פליטת שיא באורך גל 465 ננומטר, על פי מפה מוגדרת מראש של דפוס הצמיחה הרצוי (במקרה זה, תבנית זיגזג). בדרך זו, הצמחים מונחים מתוך הביקטיון לביפריון ברצף מוגדר. רק רובוט אחד מופעל בזמן נתון-במהלכו הוא פולט אור כחול בזמן שהוא מנטר באופן עצמאי את צמיחת הצמח על התמיכה המכנית מתחתיו. ברגע שהוא מזהה טיפ גדל באמצעות חיישני הקירבה שלה אינפרא אדום, הוא מפסיק פולט אור כחול מתקשר רובוטים השכנה שלה באמצעות רדיו. הרובוט הקובע את עצמו להיות המטרה הבאה ברצף ואז מפעיל לאחר מכן, מושך את צמיחת הצמח לעבר ביפוריון מכני חדש.
כאשר הגישה שלנו משלבת גם מנגנונים מהונדסים וטבעית, הניסויים שלנו כוללים מספר שיטות הפועלות בו זמנית ובאופן בדידתי. הפרוטוקול כאן מאורגן לראשונה בהתאם לסוג השיטה, שכל אחד מהם חייב להיות משולב לכיוונון ניסוי אחיד. סוגים אלה הם בחירת מינים צמח; עיצוב הרובוט כולל חומרה ומכניקה; רובוט תוכנה לתקשורת ובקרה; והניטור והתחזוקה של בריאות הצמח. הפרוטוקול ממשיך עם עיצוב הניסוי, ואחריו איסוף נתונים והקלטה. לפרטים מלאים על תוצאות שהתקבלו עד כה, ראו והוובי ואח '14. תוצאות הנציג לכסות שלושה סוגים של ניסויים-בקרה ניסויים שבו כל הרובוטים לא לספק גירויים (כלומר, הם רדומים); החלטה יחידה ניסויים שבו הצמח עושה בחירה בינארית בין גירויים אחד-מתן רובוט אחד רדום; וניסויים בריבוי החלטות שבהם המפעל מנווט רצף של בחירות בינאריות לגידול תבנית מוגדרת מראש.

<table><tbody><tr><td>מארז מודפס בתלת מימד</td><td>Shapeways, Inc</td><td>n/a</td><td>מוצר מותאם אישית,</td></tr> <tr><td>https://www.shapeways.com/ מפרקים מודפסים בתלת מימד</td><td>n/</td><td>a n/a</td><td>מיוצר על ידי מחברים</td></tr><tr><td>Adafruit BME280 I2C או SPI חיישן לחץ לחות טמפרטורה</td><td>Adafruit</td><td>2652</td><td></td></tr><tr><td>Arduino Uno Rev 3</td><td>Arduino</td><td>A000066</td><td></td></tr><tr><td>תאים</td> <td>פוטו-מוליכים CdSלידה אופטיקה & אלקטרונית ושות', בע"מ</td><td>GL5528</td><td></td></tr><tr><td>Cybertronica PCB</td><td>Cybertronica מחקר</td><td>n/a</td><td>מוצר מותאם אישית, http://www.cybertronica.de.com/download/D2_node_module_v01_appNote16.pdf</td></tr><tr><td>מאוורר מפוח ללא מברשות</td><td>Sunonwealth Electric Machine Industry Co., Ltd.</td><td>חיישן טמפרטורה דיגיטלי UB5U3-700</td><td></td></tr><tr><td></td><td>מקסים משולב</td><td>DS18B20</td><td></td></tr><tr><td>הספק גבוה (800 mA) EPILED - אדום רחוק / אינפרא אדום (740-745 ננומטר)</td> <td>Future Eden Ltd.</td><td>n/a</td><td></td></tr><tr><td>I2C חיישן לחות קרקע</td><td>Catnip Electronics</td><td>v2.7.5</td><td></td></tr><tr><td>חיישני קרבה IR (4-30 ס"מ)</td><td>Sharp Electronics</td><td>GP2Y0A41SK0</td><td></td></tr><tr><td>פנס LED (50 W)</td><td>Inter-Union Technohandel GmbH</td><td>103J50</td><td></td></tr><tr><td>LED אדום כחול תלוי אור למפעל מקורה (45 W)</td><td>Erligpowht</td><td>B00S2DPYQM</td><td></td></tr><tr><td>משאבה טבולה במתח נמוך 600 ליטר לשעה (6 מ' גובה)</td><td>Peter Barwig Wasserversorgung</td><td>444</td><td></td></tr><tr><td>MDBOARD בצפיפות</td><td>בינונית n/a</td><td>n/a</td><td>למעמד</td></tr><tr><td>מיקרו-ספקטרומטר (Hamamatsu) על לוח פריצה תואם Arduino</td><td>Pure Engineering LLC</td><td>C12666MA</td><td></td></tr><tr><td>Pixie - 3W Chainable Smart LED Pixel</td><td>Adafruit</td><td>2741</td><td></td></tr><tr><td>סירים (קיבולת אחיזה של 3.5 ליטר, גובה 15.5 ס"מ)</td><td>n/a</td><td>n/a</td><td></td></tr><tr><td>ספקי כוח (5 V, 10 A)</td><td>Adafruit</td><td>658</td><td></td></tr><tr><td>Raspberry Pi 3 דגם B</td><td>Raspberry Pi Foundation</td><td>3B</td><td></td></tr><tr><td>Raspberry Pi מודול מצלמה V2</td><td>Raspberry Pi Foundation</td><td>V2</td><td></td></tr><tr><td>Raspberry Pi Zero</td><td>Raspberry Pi Foundation</td><td>חיישן צבע Zero</td><td></td></tr><tr><td>RGB עם מסנן IR ו-LED לבן - TCS34725</td><td>Adafruit</td><td>1334</td><td></td></tr><tr><td>זריעה ואדמת עשבי תיבול</td><td>Gardol</td><td>n/a</td><td></td></tr><tr><td>שעועית מחרוזת</td><td>SPERLI GmbH</td><td>402308</td><td></td></tr><tr><td>יריעת אקריליק שקופה 5 מ"מ</td><td>n/a</td><td>n/a</td><td>לתמיכה מבנית משלימה</td></tr><tr><td>מוטות עץ (עץ ליבנה), צבוע שחור, קוטר 5 מ"מ</td><td>n/a</td><td>n/a</td><td>לצמחים לטפס</td></tr></tbody></table>

הקצאת חישה רובוטית וגירויים לגידול הצמח המודרך

Robotic Sensing and Stimuli Provision for Guided Plant Growth

מערכות רובוט מחקר פעיל עבור מניפולציה של צמחים טבעיים, בדרך כלל מוגבל לפעילויות אוטומציה חקלאית כגון קציר, השקיה, ובקרת עשב מכני. הארכת מחקר זה, אנו מציגים כאן מתודולוגיה הרומן לתמרן את הצמיחה כיוונית של צמחים דרך המנגנונים הטבעיים שלהם עבור איתות הורמון התפלגות. מתודולוגיה יעילה לגירויים רובוטיים יכולה לפתוח אפשרויות לניסויים חדשים בשלבים התפתחותיים מאוחרים יותר במפעלים, או ליישומים חדשים בביוטכנולוגיה כגון עיצוב צמחים לקירות ירוקים. אינטראקציה עם צמחים מציג מספר אתגרים רובוטיים, כולל חישה לטווח קצר של איברי צמח קטנים ומשתנים, ואת הגשמה נשלט של תגובות הצמח המושפעים על ידי הסביבה בנוסף לגירויים שסופקו. על מנת לנווט צמיחה הצמח, אנו מפתחים קבוצה של רובוטים משותק עם חיישנים כדי לזהות את הקרבה של טיפים הגוברת, ו עם דיודות כדי לספק גירויים אור כי הופעה phototropism. הרובוטים נבדקים עם שעועית הטיפוס המשותף, Phaseolus vulgaris, בניסויים עם משכים עד חמישה שבועות בסביבה מבוקרת. עם רובוטים ברצף פולטות אור כחול פליטת שיא באורך הגל 465 ננומטר-צמח הצמיחה בהצלחה באמצעות החלטות בינאריות רצופות לאורך תמיכה מכני להגיע עמדות היעד. דפוסי גדילה נבדקים בהתקנה עד 180 ס מ בגובה, עם הצמח נובע בגודל של כ 250 ס"מ באורך מצטבר לאורך תקופה של כשבעה שבועות. הרובוטים מתאמים את עצמם ופועלים באופן עצמאי לחלוטין. הם מזהים טיפים לצמחים מתקרבים על ידי חיישני קירבה אינפרא אדום ולתקשר דרך הרדיו כדי לעבור בין גירוי אור כחול מעמד רדום, כנדרש. באופן כללי, התוצאות המתקבלות תומכות באפקטיביות של שילוב של מתודולוגיות ניסוי של רובוטים וצמחים, לחקר אינטראקציות מורכבות העלולות להיות בין מערכות אוטונומיות טבעיות ומהונדסים.

שליטה: התנהגות הצמח ללא גירויים רובוטיים. בשל חוסר אור כחול (כלומר, כל הרובוטים רדומים), phototropism חיובי אינו מופעל במפעל. לכן, הצמחים להראות הצמיחה משוחדת כלפי מעלה כפי שהם הולכים בעקבות הגרביריזם. כמו כן, הם מציגים הקפת מראה טיפוסית (כלומר, התפתלות), ראו איור 4A. כצפוי, הצמחים לא מצליחים למצוא את התמיכה המכנית המובילה רובוטים רדומים . הצמחים מתמוטטים כאשר הם אינם יכולים עוד לתמוך במשקל שלהם. אנחנו עוצרים את הניסויים כאשר לפחות שני צמחים מתמוטטים, ראה איור 4B, C.
החלטות בודדות או מרובות: התנהגות הצמח בגירויים רובוטיים בארבע ניסיונות החלטה יחידה , שני הקפות יש היגוי שמאלי (כלומר, הרובוט שמאל של הביקטיון מופעל גירוי), ושני ריצות יש היגוי ימניים. רובוטים גירוי בהצלחה לנווט את הצמחים לכיוון התמיכה הנכונה, ראה איור 5. המפעל הקרוב ביותר עם זווית הגזע הדומה ביותר לזה של תמיכה נכונה מצרף ראשון. בכל ניסוי, לפחות צמח אחד מתחבר לתמיכה ומטפס אותו עד שהוא מגיע לרובוט גירוי ובכך מסיים את הניסוי. בניסוי אחד, מפעל שני מתחבר לתמיכה הנכונה. הצמחים הנותרים עשויים לצרף גם משכי זמן ניסוי ארוך יותר. אף אחד מצמחי המרפא אינו מתחבר לתמיכה השגויה. כל ניסוי פועל ברציפות למשך 13 ימים בממוצע.
בשני ניסויים מרובים החלטה , הצמחים גדלים לתוך דפוס זיגזג מוגדר מראש, ראה איור 6a. כל ניסוי פועל. במשך כשבעה שבועות כאשר הניסוי מתחיל, רובוט קובע את מצבו לגירוי (ראה 3.6.3) ומנווטת את הצמחים לקראת התמיכה הנכונה בהתאם לדפוס האמור. צמח מצרף ומטפס אותו, מגיע הרובוט גירוי מופעל ולכן השלמת ההחלטה הראשונה. לדברי 3.7.3, הרובוט הגירוי הנוכחי לאחר מכן הופך רדום ומודיע השכנים הסמוכים. השכן רדום כי הוא הבא על דפוס זיגזג מחליף עצמו גירוי (ראה 3.7.6). אם הצמח מזוהה על ידי רובוט רדום , כי הרובוט אינו מגיב (ראה 3.7.2). הצמחים ממשיכים להשלים את שלוש ההחלטות הנותרות בהצלחה. התבנית הזיגזג מוגדרת מראש ולכן מגודלים לגמרי, ראה איור 6B.
כל נתוני הניסוי, כמו גם סרטי וידאו, זמינים באינטרנט24.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59835/59835fig1.jpg"> איור 1. הרובוט משותק ורכיביו העיקריים. איור מודפס מתוך פרסום המחבר ווהבי ואח '14, בשימוש עם רישיון מלאי יצירתי CC-by 4.0 (ראה קבצים משלימים), עם שינויים כמותר על ידי רשיון. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59835/59835fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59835/59835fig2.jpg"> איור 2. תרשים הרכיבים של. האלקטרוניקה הרובוטית IRLML2060 מנהלי התקנים מובילים עם המחשב היחיד של הרובוט (g. פטל Pi) באמצעות PWM כדי לשלוט על בהירות של נוריות. מתג LP5907 מתמודד עם המחשב בעל הלוח היחיד באמצעות סיכת כותרת קלט/פלט מטרה כללית (GPIO), כדי לשלוט במאוורר. ממיר אנלוגי לדיגיטלי (ADC) MCP3008 מתואם למחשב בעל הלוח היחיד באמצעות ממשק היקפי טורי (SPI) כדי לקרוא את נתוני החיישן של האינפרא-אדום האנלוגי והנתונים התלויים באור (LDR). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59835/59835fig2large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59835/59835fig3.jpg"> איור 3. זמן קצר לאחר ' 03.04.16, ' טיפ צמח מטפס על תמיכה ומגיע בתחום התצוגה של הרובוט. (A) לדוגמה, מדגם IR-הסמיכות של חיישן הקרבה משתנה (ציר אנכי) במהלך ניסוי. ערכים גבוהים יותר מציינים זיהוי תיאורי של הצמח. (ב) חיישן הסמיכות של IR ממוקם ומונחה בהתאם לקובץ המצורף לתמיכה, כדי להבטיח את זיהוי המידע האפקטיבי של הצמח. איור מודפס מתוך פרסום המחבר ווהבי ואח '14, בשימוש עם רישיון מלאי יצירתי CC-by 4.0 (ראה קבצים משלימים), עם שינויים כמותר על ידי רשיון. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59835/59835fig3large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59835/59835fig4.jpg"> איור 4. בקרה ניסויים מסגרות תוצאה מראה כי כל ארבעת הצמחים לא לצרף כל תמיכה בהעדר אור כחול. (א) אחרי חמישה ימים, כל הצמחים גדלים כלפי מעלה באחד מניסויי השליטה (ראה (ג) למצב גדילה מאוחר יותר). (ב) אחרי 15 יום, שלושה צמחים קרסו, ואחד עדיין גדל כלפי מעלה בניסוי הבקרה הראשונה. (ג) לאחר שבעה ימים התמוטטו שני צמחים, ושניים עדיין גדלים כלפי מעלה בניסוי השליטה השני (ראה (א) למצב גדילה קודם). איור מודפס מתוך פרסום המחבר ווהבי ואח '14, בשימוש עם רישיון מלאי יצירתי CC-by 4.0 (ראה קבצים משלימים), עם שינויים כמותר על ידי רשיון. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59835/59835fig4large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59835/59835fig5.jpg"> . איור 5 החלטה אחת ניסויים תוצאות מסגרות מראה את היכולת של רובוט גירוי לנווט את הצמחים באמצעות החלטה בינארית, כדי לטפס על התמיכה הנכונה. בכל ארבעת הניסויים, רובוט אחד מכוון לגירוי והשני לרדום-בשני צידי המתרס של הצומת. המסגרות מציגות את מיקומו של הצמחים בדיוק לפני שהרובוט הגירוי מזהה אותם. בכל ניסוי לפחות אחד הצמחים מתחבר לתמיכה הנכונה, והצמח לא מתחבר לאחד שגוי. כמו כן, הצמחים שאינם נתמכים להראות צמיחה מוטה כלפי הרובוט גירוי . E, F, G, H הם closeups של A, B, C, D בהתאמה. איור מודפס מתוך פרסום המחבר ווהבי ואח '14, בשימוש עם רישיון מלאי יצירתי CC-by 4.0 (ראה קבצים משלימים), עם שינויים כמותר על ידי רשיון. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59835/59835fig5large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59835/59835fig6v2.jpg"> . איור 6 ניסוי מרובה החלטות . (א) תבנית זיגזג ממוקדת מודגשת בירוק על המפה. (ב) המסגרת האחרונה מן הניסוי (אחרי 40 ימים), מציג את המצב של צמחים לפני הרובוט הגירוי האחרון על התבנית מזהה אותם. הרובוטים בהצלחה לגדול דפוס זיגזג. איור מודפס מתוך פרסום המחבר ווהבי ואח '14, בשימוש עם רישיון מלאי יצירתי CC-by 4.0 (ראה קבצים משלימים), עם שינויים כמותר על ידי רשיון. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59835/59835fig6large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>

צמתים מבוזרים רובוט לספק רצפים של גירויים אור כחול כדי לנווט את מסלולי הצמיחה של צמחי טיפוס. על ידי הפעלת phototropism טבעי, הרובוטים מדריך את הצמחים באמצעות שמאל בינארי החלטות הזכות, גדל אותם דפוסים מוגדרים מראש, כי בניגוד אינם אפשריים כאשר הרובוטים רדומים.

Robot systems are actively researched for manipulation of natural plants, typically restricted to agricultural automation activities such as harvest, ...

היגוי הצמיחה הכיוונית של צמחים עם מערכת אוטונומית הוא מושג חדשני ומקורי שלא דווח קודם לכן. המפתח כאן בשבילנו הוא לגלות מה באמת ריאלי. הטכניקה שלנו היא השיטה האוטומטית הראשונה לגדל צמחים לצורות וצורות רצויות באמצעות צמתים רובוטיים כדי לזהות צמחים עם החיישנים שלהם ולהחליף את הגירויים בהתאם.שיטה זו והרובוטים המשמשים כאן יכולים להיות מועסקים עם מבנים הגדלים באופן דינמי שבו פידבקים קובעים את התפתחות מערכת הביוהיברייד. שמירה על בריאות הצמחים וגילוי נוכחותם בנקודות הצטלבות היא מאתגרת. ודא כי מקורות אור חיצוניים אינם מפעילים תגובות פוטוטרופיות במצב כשל.הדגמה חזותית נחוצה כדי להראות את שיתוף הפעולה בין צמחים ורובוטים לאורך פרקי זמן ארוכים כדי להגדיל דפוסי צמיחה המוגדרים על ידי המשתמש. ג'וליאן Ptezold, סטודנט לתואר שני בקבוצת המחקר שלנו, ידגים את הליך הניסוי. לפני תחילת ניסוי, בחר מין צמח ידוע להציג פוטוטרופיזם חיובי חזק כלפי A אולטרה סגול ואור כחול בקצות ההולכות וגדלות.בחרנו Phaseolus וולגריס או שעועית נפוצה כי הם גדלים מהר ולהראות צמיחה כיוונית חזקה כלפי אור כחול. חבר כל רובוט סביב מחשב המותאם לרשת תקשורת מקומית אלחוטית בלוח יחיד וממשק את המחשב לחיישנים והפעלה באמצעות לוח מעגלים מודפס מותאם אישית. כלול חיישן קירבה אינפרא-אדום אחד לכל כיוון הנבדק עבור צמחים מתקרבים, כולל דיודות פולטות אור מספיק כדי לספק את דרישות האור הכחול לכל כיוון שנבדק לצמחים מתקרבים.כלול חומרה המאפשרת רמזים מקומיים בין רובוטים וכוללת photoresistor עבור כל כיוון של הרובוט השכן כדי לפקח על מצב פליטת האור שלהם. כלול חומרה כדי לפזר חום כנדרש על ידי התנאים של דיודות כחולות שנבחרו ואת מארז הרובוט מנוצל באמצעות שילוב של כיורים חום אלומיניום, פתחי אוורור במארז המקרה של כל רובוט ומאווררים. לאחר אישור כי כיווני רכיב הרובוט הם שירות אחיד, למקם את הדיודות הכחולות כדי להפיץ עוצמת אור שווה לכל אחד הכיוונים שממנו הצמחים עשויים להתקרב ולכוון כל דיודה במקרה הרובוט, כך הציר המרכזי של זווית העדשה שלה הוא בתוך 60 מעלות של כל ציר של המכאני לתמוך בו שירותים.מקם את חיישני הקרבה של האינפרא-אדום באופן שווה עבור כיווני הצמיחה המתקרבים שלהם במרחק של סנטימטר אחד מנקודת ההתקשרות בין הרובוט לבין התמיכה המכנית שמנותנת כל חיישן כך שזווית הצפייה שלו מקבילה לציר התמיכה. לאחר מכן, להדביק גיליון 125 על 180 ס"מ של אקריליק שקוף לעמוד רחב 125 ס"מ המסוגל להחזיק את ההתקנה במצב זקוף. לשלב את הרובוטים לתוך קבוצה של תמיכות מכניות מודולריות להחזיק את הרובוטים בעמדה כפולה לשמש פיגומים טיפוס עבור הצמחים כדי להגביל את מסלולי הצמיחה הממוצעים של הצמחים.בכל רובוט, כלול נקודות התקשרות כדי לעגן את התומכים המכניים הספציפיים, כולל נקודת חיבור אחת לכל כיוון שבה צמח יכול להתקרב או לצאת מרובוט. מקם סירים עם האדמה המתאימה על הדוכן כנגד גיליון האקרילי והדבק שני רובוטים לגיליון האקרילי החדרת הקצוות של התומכים שהוצבו בעבר לתוך השקעים במקרים רובוט. לאחר מכן חזור על התבנית כדי להדביק את הרובוטים הנותרים ולתמוך בתבנית המחוספסת באלכסון כך שכל שורה של רובוטים היא 35 ס"מ מעל השורה הקודמת ושכל רובוט ממוקם אופקית ישירות מעל הרובוט או מפרק Y שנמצא שתי שורות מתחתיו.יש לסדר את התומכים המכניים בתבנית מחוספסת באופן קבוע האלכסונית באופן אחיד עם זווית נטייה של 45 מעלות או תלולה יותר עם אורכי תמיכה אחידים של מינימום של 30 ס"מ לתמיכה. האורך החשוף המועדף צריך להיות לפחות 40 ס"מ כדי לאפשר חיץ כלשהו במקרים קיצוניים סטטיסטית של ניתוק צמחים. בתוכנת הרובוט, להקים מצב גירוי שבמהלכו הרובוט פולט אור כחול מצב רדום שבמהלכו הרובוט או פולט אור אדום.מקם את ההתקנה הניסיונית בתנאים סביבתיים מבוקרים ושמור על פוטוסינתזה של הצמח באמצעות מנורות גידול דיודה פולטות אור חיצוניות לרובוטים ומול ההתקנה הניסיונית. לאחר הנביטה, לספק לכל צמח סיר משלו בבסיס ההתקנה הניסיונית לווסת את טמפרטורת האוויר ואת רמות הלחות בהתאם למינים שנבחרו באמצעות תנורי חימום, מזגנים, מכשירי אדים, ו de-humidifiers לפי הצורך וניטור רמות אלה באמצעות חיישן לחות לחץ טמפרטורה. כדי לבדוק את צמיחת הצמח בנוכחות מספר גירויים עוקבים, ספק לרובוטים מפה גלובלית של התבנית שיש לגדל וללכוד ללא הרף קטעי וידאו של הניסויים באמצעות מצלמות המוצבות בשתי נקודות תצפית או יותר עם תצוגת מצלמה אחת לפחות המקיפה את ההתקנה הניסיונית המלאה.ודא כי התמונות שנתפסו הם ברזולוציה גבוהה מספיק כדי ללכוד כראוי את התנועות של הצמח גדל טיפים אשר בדרך כלל רק כמה מילימטרים ברוחב. לאחר מכן שימו לב לאירועי ההחזקה של הצמח ותבנית הצמיחה לאורך התומכים המכניים לאורך תקופת צמיחה ניסיונית מתאימה. בתנאים חסרי אור כחול, פוטוטרופיות חיובית אינה מופעלת והצמחים מפגינים צמיחה בלתי משוחדת כלפי מעלה כשהם עוקבים אחר הכבידה.הצמחים גם הציגו סביבה בדרך כלל. כצפוי בתנאים אלה, הצמחים אינם מצליחים למצוא את התמיכה המכנית המובילה לרובוטים הרדומים ולקרוס כאשר הם כבר לא יכולים לתמוך במשקל שלהם. יש לעצור את הניסוי כאשר לפחות שני צמחים מתמוטטים.בניסוי נציג זה של החלטה אחת, רובוטי הגירוי הובילו בהצלחה את הצמחים לתמיכה הנכונה. בניסוי מרובה החלטות מייצג זה, הצמחים גדלו לדפוס זיגזג מוגדר מראש באמצעות רובוטים רדומים וגירוי לחוש ולעורר את צמיחת הצמח בהתאמה עד דפוס זיגזג מוגדר מראש גדל במלואו. לימוד סוג זה של מערכת biohybrid סולל את הדרך לטכניקות מתפתחות של אדריכלות, ביולוגיה והנדסה לפתח מבנים אדפטיביים חיים ולגדל רכיבי בנייה.

robotic-sensing-and-stimuli-provision-for-guided-plant-growth

Research

JoVE Journal

Engineering

הנדסה

אנו מדווחים על שיטה הקדמה, מעקב וניתוח כמותי של ה-GFP ביטוי בתאי הצמח. שיטה זו משתמשת מערכת אישית מעוצבת רובוטיקה לאיסוף חצי תמונה רציפה של מספר גדול של דגימות, לאורך זמן. אנחנו גם מדגימים את השימוש ImageJ ו ImageReady ניתוח של סדרת תמונות.

רובוטיקה ניתוח תמונה דינאמית ללימודים של ביטוי גנים ברקמות הצמח

מאמר זה מספק פרוטוקול לגידול שתילים של ארבידופסיס ב RootChip, פלטפורמת הדמיה microfluidic המשלבת שליטה אוטומטית של תנאי הגידול עם מעקב שורש מיקרוסקופי ו להתרגז על בסיס מדידת רמות מטבוליט תאיים.

זמן לשגות דימות פלואורסצנטי של צמיחה רוט ארבידופסיס עם מניפולציה מהירה של הסביבה רוט שימוש RootChip

מקור: Nathoo, N., et al. מערכת גידול משותף הידרופונית לניתוח סימולטני ושיטתי של אינטראקציות ואיתות מולקולריות של צמח/חיידק. J. Vis. Exp. (2017).סרטון זה מדגים מערכת גידול משותף הידרופונית לחקר אינטראקציות בין צמחים לחיידקים בתנאים סטריליים. שתילי צמחים מועברים למצע גידול סטרילי וחומצי, מודגרים ונבדקים לאיתור זיהום לפני החיסון באגרובקטריום. החיידקים הפעילים נצמדים לשורשי הצמח, מעבירים T-DNA לתאי הצמח ומקדמים שינויים מולקולריים המשפרים את ההתיישבות של החיידקים.

מערכת גידול משותף לחקר התגובות המולקולריות של מארחי צמחים וחיידקים המקיימים אינטראקציה

מערכת cocultivation הידרופוני שתואר תומך צמחים שלם עם מסכי רשת מתכת cocultivates אותם עם חיידקים. רקמות הצמח, חיידקים, ומולקולות מופרדים אז ניתן לקצור בנפרד עבור ניתוחים במורד הזרם, בו זמנית מאפשר תגובות מולקולריות של שני המארחים צמח אינטראקציה חיידקים או microbiomes להיחקר.

הידרופוני Co- טיפוח מערכת לניתוח סימולטני ושיטתי של הצמח / מיקרובי אינטראקציות מולקולרית איתות

פרוטוקול ניסיוני מוצג להערכת מערכות שורשי צמחים שגדלו באדמה עם RGB והדמיה היפר-ספקטרלית. שילוב של סדרות זמן של תמונות RGB עם מידע כימומטרי מסריקות היפרספקטרליות מייעל תובנות לגבי דינמיקת שורשי הצמח.

RGB והדמיה ספקטרלי שורש הצמח Phenotyping ומחקר פיזיולוגיים: הגדרת הניסוי והדמיה פרוטוקולים

ג'יברלין תפיסה חיישן 1 (GPS1) הוא הראשון פורסטר תהודה אנרגיה מבוססת על העברת החיישן למדידת רמות הסלולר של ג'יברלין phytohormones עם רזולוציה גבוהה ייתכן. פרוטוקול זה מדווח על השיטה כדי להמחיש ולכמת רמות ג'יברלין הסלולר באמצעות את החיישן nlsGPS1 גנטית מקודד ב hypocotyls תודרנית וטיפים שורש.

ג'יברלין הסלולר להמחיש רמות שימוש באנרגיה תהודה פורסטר NlsGPS1 העברה (סריג) ביוסנסור

מכונת העמסה עדינה של כוח מגע בנויה ממברשות שיער אנושיות, זרועות רובוטיות ובקר. מברשות השיער מונעים על ידי זרועות רובוטיות המותקנות במחשב ולנוע מעת לעת כדי להחיל כוח מגע על צמחים. החוזק של נגיעות שיער מונחה מכונה דומה לזה של נגיעות שהוחלו ידנית.

שמירת עבודה והמשך המגע הכוח איתות פרוטוקול המסך מוטציה למחקר של Thigmomorphogenesis של צמח המודל Arabidopsis thaliana

שיטת phenotyping כבידתית זו, טלמטרית, שלם, בעלת תפוקה גבוהה, מאפשרת מדידות ישירות ובו-זמנית בזמן אמת, כמו גם ניתוח של תכונות פיזיולוגיות מרובות הקשורות לתפוקה הכרוכות באינטראקציות דינמיות בין הצמח לסביבת הצמח.

פלטפורמה טלמטרית, כבידתית ל Phenotyping פיזיולוגי בזמן אמת של אינטראקציות צמח-סביבה

אנו משתמשים בכלי מעבדה פשוטים כדי לבחון את ארכיטקטורת מערכת השורשים (RSA) של Arabidopsis ו- Medicago. העציצים גדלים באופן הידרופוני על גבי רשת ומפוזרים באמצעות מברשת אמנותית כדי לחשוף את ה-RSA. התמונות מצולמות באמצעות סריקה או מצלמה ברזולוציה גבוהה, ולאחר מכן מנותחות באמצעות ImageJ כדי למפות תכונות.

פרוטוקול פשוט למיפוי תכונות ארכיטקטורת מערכת שורש הצמח

תכננו פרוטוקול פנוטיפ מבוסס תמונה כדי לקבוע את התגובות המורפולוגיות והפיזיולוגיות לטיפולי חום, בצורת וכריתת מים בודדים ומשולבים. גישה זו אפשרה זיהוי של תגובות מוקדמות, מאוחרות והתאוששות ברמת צמח שלם, במיוחד חלקים מעל פני הקרקע, והדגישה את הצורך בשימוש בחיישני הדמיה מרובים.

פנוטיפ מבוסס תמונה בתפוקה גבוהה לקביעת תגובות מורפולוגיות ופיזיולוגיות ללחצים בודדים ומשולבים בתפוח אדמה

כתב יד זה מתאר גישה לא הרסנית ובעלת תפוקה גבוהה למדידות שדה אוטונומיות של יעילות קוונטית, החזרה ספקטרלית וארכיטקטורת צמחים בפוטוסיסטם II, המאפשרת פנוטיפינג של פוטוסינתזה בקנה מידה גדול בניסויים אגרונומיים ושטחי רבייה.

סינון בשטח בקצב גבוה של יעילות פוטוסינתטית בצמחי גידול באמצעות רובוט אוטונומי

למד שיטה רובוטית אוטונומית להכוונת צמיחת צמחים באמצעות גירוי אור כחול ב-Phaseolus vulgaris. המחקר מדגים מערכות ביו-היברידיות לחקלאות מתקדמת.

הקצאת חישה רובוטית וגירויים לגידול הצמח המודרך

גלה סרטונים נוספים