Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

توفير الاستشعار الآلي والمحفزات لنمو النباتات الموجهة

Published: July 1, 2019 doi: 10.3791/59835
Automatic Translation
1, 1,5, 2, 1, 3, 2,4, 2, 5, 1
1Institute of Computer Engineering, University of Lübeck, 2Institute of Biology, Artificial Life Lab, University of Graz, 3Cybertronica UG, 4Department of Computer Science, IT University of Copenhagen, 5Centre for IT and Architecture, Royal Danish Academy

Summary

توفر عقد الروبوت الموزعة تسلسلات من محفزات الضوء الأزرق لتوجيه مسارات نمو مصانع التسلق. من خلال تفعيل الفوتوتروبيسم الطبيعي، الروبوتات توجيه النباتات من خلال القرارات الثنائية اليسار واليمين، وزراعتها في أنماط محددة مسبقا أنه على النقيض من ذلك غير ممكن عندما تكون الروبوتات نائمة.

Abstract

يتم البحث بنشاط في أنظمة الروبوت للتلاعب بالنباتات الطبيعية، وعادة ما تقتصر على أنشطة الأتمتة الزراعية مثل الحصاد والري والتحكم الميكانيكي في الأعشاب الأعشاب الآلية. توسيع هذا البحث, ونحن نقدم هنا منهجية جديدة للتلاعب النمو الاتجاهي للنباتات عن طريق آلياتها الطبيعية للإشارة وتوزيع الهرمونات. ويمكن أن تتيح المنهجية الفعالة لتوفير المحفزات الروبوتية إمكانيات لإجراء تجارب جديدة على مراحل إنمائية لاحقة في النباتات، أو لتطبيقات التكنولوجيا الأحيائية الجديدة مثل تشكيل النباتات للجدران الخضراء. ويمثل التفاعل مع النباتات العديد من التحديات الروبوتية، بما في ذلك الاستشعار القصير المدى للأعضاء النباتية الصغيرة والمتنوعة، والطاقة التي تسيطر عليها استجابات النباتات التي تتأثر بالبيئة بالإضافة إلى المحفزات المقدمة. من أجل توجيه نمو النبات، ونحن تطوير مجموعة من الروبوتات غير متحركة مع أجهزة الاستشعار للكشف عن قرب نصائح النمو، ومع الصمامات الثنائية لتوفير المحفزات الخفيفة التي تعمل phototropism. يتم اختبار الروبوتات مع تسلق الفول المشترك، Phaseolus المبتذلةق، في التجارب التي تستغرق فترات تصل إلى خمسة أسابيع في بيئة تسيطر عليها. مع الروبوتات التي تنبعث بالتتابع الانبعاثات الزرقاء الخفيفة الذروة في الطول الموجي 465 نانومتر نمو النبات هو توجيه بنجاح من خلال القرارات الثنائية المتعاقبة على طول الدعائم الميكانيكية للوصول إلى المواقع المستهدفة. يتم اختبار أنماط النمو في الإعداد تصل إلى 180 سم في الارتفاع، مع ينبع النبات نمت ما يصل إلى ما يقرب من 250 سم في الطول التراكمي على مدى فترة سبعة أسابيع تقريبا. الروبوتات تنسيق أنفسهم وتعمل بشكل مستقل تماما. أنها تكشف اقتراب نصائح النبات عن طريق أجهزة استشعار القرب الأشعة تحت الحمراء والتواصل عبر الراديو للتبديل بين المحفزات الضوء الأزرق وحالة نائمة، حسب الاقتضاء. وعموما، فإن النتائج التي تم الحصول عليها تدعم فعالية الجمع بين منهجيات تجربة الروبوت والنباتات، لدراسة التفاعلات المعقدة المحتملة بين النظم الطبيعية والنظم المستقلة الهندسية.

Introduction

متوافقمع انتشار متزايد للأتمتة في التصنيع والإنتاج، يتم استخدام الروبوتات لزرع، علاج، وحصاد النباتات1،2،3،4،5. نحن نستخدم تكنولوجيا الروبوت لأتمتة التجارب النباتية بطريقة غير الغازية، بهدف توجيه النمو من خلال الاستجابات الاتجاهية للمحفزات. وقد شملت ممارسات البستنة التقليدية تشكيل اليدوي للأشجار والشجيرات عن طريق ضبط النفس والقطع الميكانيكية. نحن نقدم منهجية يمكن تطبيقها على سبيل المثال على هذه المهمة تشكيل، من خلال توجيه أنماط النمو مع المحفزات. منهجيتنا المقدمة هي أيضا خطوة نحو التجارب الآلية للمصنع، وهنا مع التركيز بشكل خاص على توفير المحفزات الخفيفة. وبمجرد أن تصبح التكنولوجيا قوية وموثوقبها، فإن هذا النهج لديه القدرة على خفض التكاليف في تجارب النباتات والسماح بإجراء تجارب آلية جديدة كان من غير الممكن لولا ذلك أن تكون غير مجدية بسبب النفقات العامة في الوقت والعمل اليدوي. العناصر الروبوتية قابلة للبرمجة بحرية وتعمل بشكل مستقل كما أنها مجهزة أجهزة الاستشعار، والمركبات لتوفير المحفزات، والمعالجات الدقيقة. وبينما نركز هنا على الاستشعار عن قرب (أي قياس المسافات من مسافة قريبة) والمحفزات الخفيفة، فإن هناك خيارات أخرى كثيرة ممكنة. على سبيل المثال، يمكن استخدام أجهزة الاستشعار لتحليللون النبات، لرصد النشاط الكيميائي الحيوي 6، أو للفيوينوين7 النهج لرصد الظروف البيئية على سبيل المثال من خلال علم وظائف الأعضاء الكهربائية النباتية8. وبالمثل، قد توفر خيارات المحركات أنواعأخرى من المحفزات 9، من خلال محركات الاهتزاز، أجهزة الرش، سخانات، مراوح، أجهزة المظللة، أو المتلاعبين للاتصال الجسدي الموجه. ويمكن تنفيذ استراتيجيات إضافية للتشغيل لتوفير حركة بطيئة للروبوتات (أي "البوتات البطيئة"10)،بحيث يمكن أن تغير تدريجيا الموقف والاتجاه الذي توفر منه المحفزات. وعلاوة على ذلك، كما تم تجهيز الروبوتات مع أجهزة الكمبيوتر مجلس واحد، فإنها يمكن تشغيل عمليات أكثر تطورا مثل رؤية للمصنع phenotyping11 أو وحدات تحكم الشبكة العصبية الاصطناعية للتحفيز12. كما تركز البحوث علوم النبات في كثير من الأحيان على النمو المبكر (أي، في يطلق النار)13، المجال كله من استخدام أنظمة الروبوت المستقلة للتأثير على النباتات على مدى فترات أطول يبدو ناقص الاستكشاف، وقد توفر العديد من الفرص في المستقبل. وبالذهاب إلى أبعد من ذلك خطوة واحدة، يمكن النظر إلى العناصر الروبوتية على أنها أشياء من البحث نفسها، مما يسمح بدراسة الديناميات المعقدة للنظم الحيوية الهجينة التي تشكلها الروبوتات والنباتات التي تتفاعل بشكل وثيق. الروبوتات تفرض بشكل انتقائي المحفزات على النباتات، والنباتات تتفاعل وفقا لسلوكهم التكيفي وتغيير نمط نموها، والتي يتم الكشف عنها في وقت لاحق من قبل الروبوتات عن طريق أجهزة الاستشعار الخاصة بهم. نهجنا يغلق حلقة ردود الفعل السلوكية بين النباتات والروبوتات ويخلق حلقة التحكم homeostatic.

في تجاربنا لاختبار وظيفة نظام الروبوت، ونحن حصرا استخدام تسلق الفول المشترك، Phaseolus الشائعق. في هذا الإعداد، ونحن نستخدم تسلق النباتات، مع الدعائم الميكانيكية في سقالة شبكية من ارتفاع عام 180 سم، بحيث تتأثر النباتات من قبل thigmotropism ولديها مجموعة محدودة من اتجاهات النمو للاختيار من بينها. وبالنظر إلى أننا نريد لتشكيل النبات كله على مدى فترة من الأسابيع، ونحن نستخدم المحفزات الضوء الأزرق للتأثير على المنظار الضوئي للنبات، على مدى فترات النمو المختلفة بما في ذلك يطلق النار الشباب وتصلب الجذعية في وقت لاحق. نجري التجارب في ظروف الضوء المحيط التي تسيطر عليها بشكل كامل حيث بخلاف المحفزات الضوء الأزرق نحن نقدم الضوء الأحمر حصرا، مع ذروة الانبعاثات في الطول الموجي 650 نانومتر. عندما تصل إلى التشبيك في شبكة الدعم الميكانيكية، فإنها تتخذ قرارا ثنائيا ما إذا كان لتنمو اليسار أو اليمين. يتم وضع الروبوتات في هذه الفواصل الميكانيكية، مفصولة مسافات 40 سم. أنها تنشيط بشكل مستقل وتعطيل انبعاث الضوء الأزرق، مع ذروة الانبعاثات في الطول الموجي 465 نانومتر، وفقا لخريطة محددة مسبقا من نمط النمو المطلوب (في هذه الحالة، نمط متعرج). وبهذه الطريقة، يتم توجيه النباتات من البيفوركاتيون إلى التشبيك في تسلسل محدد. يتم تنشيط روبوت واحد فقط في وقت معين ، خلالها تنبعث منه الضوء الأزرق بينما رصد نمو النبات بشكل مستقل على الدعم الميكانيكي تحته. بمجرد أن يكتشف طرف متزايد باستخدام أجهزة استشعار القرب الأشعة تحت الحمراء، فإنه يتوقف عن انبعاث الضوء الأزرق ويتصل الروبوتات المجاورة لها عن طريق الراديو. الروبوت الذي يحدد نفسه ليكون الهدف التالي في تسلسل ثم ينشط في وقت لاحق، وجذب نمو النبات نحو التشبيك الميكانيكية الجديدة.

كما يتضمن نهجنا على حد سواء الآليات الهندسية والطبيعية، وتشمل تجاربنا عدة طرق تعمل في وقت واحد ومترابطة. يتم تنظيم البروتوكول هنا أولا ً وفقا لنوع الأسلوب، كل منها يجب أن يكون مدمجا في إعداد تجربة موحدة. وهذه الأنواع هي اختيار الأنواع النباتية؛ تصميم الروبوت بما في ذلك الأجهزة والميكانيكا. الروبوت البرمجيات للاتصالات والسيطرة؛ ومراقبة وصيانة صحة النبات. ثم يمضي البروتوكول في تصميم التجربة، يليه جمع البيانات وتسجيلها. للاطلاع على التفاصيل الكاملة للنتائج التي تم الحصول عليها حتى الآن، انظر Wahby et al.14. وتشمل النتائج التمثيلية ثلاثة أنواع من التجارب - تجارب التحكم حيث لا توفر جميع الروبوتات المحفزات (أي أنها خاملة)؛ تجارب قرار واحد حيث يجعل المصنع خيار ثنائي بين واحد من المحفزات توفير الروبوت واحد هو نائمة. وتجارب متعددة القرارات حيث يتنقل المصنع في سلسلة من الخيارات الثنائية لينمو نمط محدد مسبقاً.

Protocol

1- إجراءات اختيار الأنواع النباتية

ملاحظة: يركز هذا البروتوكول على سلوكيات النبات المتعلقة بالتسلق، والاستجابات الاتجاهية للضوء، وصحة وبقاء النباتات في الموسم المحدد، والموقع، والظروف التجريبية.

  1. حدد الأنواع النباتية المعروفة لعرض الفوتوتروبيسم إيجابية قوية15،16 نحو الأشعة فوق البنفسجية -A والضوء الأزرق (340-500 نانومتر) في نصائح النمو.
  2. حدد الأنواع التي هي اللفاف، الذي يتم نطق السلوك17 تطويق وتلميح متزايد له مسارات حلزونية مع سعة كبيرة بما فيه الكفاية للرياح حول الدعائم الميكانيكية المستخدمة في الظروف التجريبية المحددة. يجب أن تتسامح الـ18 حالة اللفاف ة ةي لا با ةيباقم لاب ةيلاب ةيلاب ةيلاب ةيلاب ةيلاب ةيلابة ةيبرض لاةةةةةملا ةيلافة لامعلا ةيلافلا ةيلاب ةيلاب ةيلاب ةيلاب ةيلاب ةيلاب ةيلاب ةيلاةةةةةةةة
  3. حدد الأنواع التي سوف تنمو بشكل موثوق وبسرعة في الظروف التجريبية، مع سرعة نمو متوسط لا يقل عن 5 سم تقريبا في اليوم الواحد، ويفضل أسرع إذا كان ذلك ممكنا.
  4. حدد نوعًا يعرض السلوكيات المطلوبة في الموسم الحالي والموقع الجغرافي.
  5. ضمان أن الأنواع تتسامح مع مجموعة من المعلمات البيئية التي ستكون موجودة في الإعداد التجريبي. وينبغي أن يتسامح المصنع مع غياب الضوء الأخضر وغياب الضوء خارج الطيف المرئي (400-700 نانومتر). وينبغي أن يتسامح المصنع أيضا مع أي تقلبات في درجة الحرارة الحالية، وتبقى عند 27 درجة مئوية تقريبا، فضلا عن أي تقلبات في الرطوبة وسقي.

2. الروبوت الشروط والتصميم

  1. تنظيم قدرات الروبوت في العقد اللامركزية مع أجهزة الكمبيوتر مجلس واحد (انظر الشكل 1 و الشكل2)، متكاملة في وحدات الدعائم الميكانيكية. تأكد من أن كل عقدة روبوت متطابقة قادرة على التحكم في سلوكها الخاص وتنفيذه.
  2. لتوفير الروبوتية من المحفزات للنباتات، وتوفير الضوء الأزرق (400-500 نانومتر) للنباتات على فترات يمكن السيطرة عليها، في كثافة من شأنها أن تؤدي إلى استجابة المؤثرات الضوئية، من الاتجاه والتوجه المطلوب ة للجزء من التجربة .
    1. حدد صمام ثنائي أحمر وأخضر وأزرق (RGB) (LED) أو LED أزرق معزول. في كلتا الحالتين، وتشمل الصمام مع الصمام الثنائي الأزرق مع ذروة الانبعاثات +ماكس + 465 نانومتر.
    2. حدد LED أنه عندما تتجمع في مجموعات وتعيين في الظروف الدقيقة للروبوت المستخدمة يمكن الحفاظ على مستوى كثافة الضوء المطلوبة في كل اتجاه اختبارها في إعداد التجربة. لكل اتجاه يجري اختباره، تأكد من أن الصمامات الثنائية الزرقاء في المصابيح في روبوت واحد هي قادرة بشكل جماعي على الحفاظ على مستوى كثافة الضوء من ما يقرب من 30 لومن دون ارتفاع درجة الحرارة، عندما تقع في الضميمة الروبوت المستخدمة وأي استخدام استراتيجيات تبديد الحرارة. يجب أن يكون LED المحدد زاوية عرض تبلغ 120 درجة تقريبًا.
      ملاحظة: على سبيل المثال، في الروبوت باستخدام ثلاثة المصابيح في الاتجاه الواحد، مع تحكم متحكم تمكين التنظيم من كثافة، إذا كانت الصمامات الثنائية الزرقاء تنبعث مع أقصى كثافة الضوء Φ = 15 شمعة، ثم دون ارتفاع درجة الحرارة ينبغي أن تكون قادرة على الحفاظ على 65٪ من الحد الأقصى.)
    3. واجهة المصابيح إلى الكمبيوتر الروبوت واحد متن، عن طريق السائقين الصمام التي تنظم إمدادات الطاقة وفقا للسطوع المطلوب. تمكين التحكم الفردي، إما من كل LED أو مجموعات LED التي تخدم كل اتجاه يتم اختباره في الإعداد.
  3. للاستشعار عن قرب من النصائح النباتية (انظر الشكل 3B)،استخدم قراءات معالجة من أجهزة الاستشعار عن قرب الأشعة تحت الحمراء (القرب من الأشعة تحت الحمراء) إلى الكشف بشكل مستقل وموثوق وجود النباتات تقترب من كل اتجاه اختبار في الإعداد.
    1. حدد مستشعر القرب من الأشعة تحت الحمراء الذي يكشف بانتظام عن الطرف المتنامي للأنواع النباتية المختارة، عند ترتيبه عمودياً على المحور المركزي للاتجاه الذي يقترب منه النبات، كما تم اختباره في بيئة غير معوقة. تأكد من حدوث الكشف الناجح من مسافة 5 سم، كما هو مُرى في الشكل 3A بدءاً من الطابع الزمني المسمى '07.04.16' على المحور الأفقي.
    2. واجهة كل مستشعر قرب الأشعة تحت الحمراء بكمبيوتر الروبوت أحادي اللوحة، وتنفيذ نهج حسابي متوسط مرجح لمعالجة قراءات أجهزة الاستشعار لتحديد ما إذا كان النبات موجودًا في غضون 5 سم. خمسة s لإعطاء 20٪ من الوزن المتوسط النهائي المستخدمة في الكشف.
    3. تأكد من أن مستشعر القرب من الأشعة تحت الحمراء المحدد لا يصدر أطوال موجية حرجة يمكن أن تتداخل مع السلوكيات المدفوعة بالضوء للأنواع المختارة. التأكد من أن الأطوال الموجية المنبعثة من المستشعر أقل من 800 نانومتر غير موجودة على مسافات أكبر من 5 مم من مصدر الأشعة تحت الحمراء للمستشعر، كما يقاس بمطياف.
  4. توزيع وظائف التجربة على مجموعة من الروبوتات، بحيث يمكن لكل روبوت إدارة مستقلة الأجزاء التي تمضي قدما في منطقتها المحلية الخاصة. ترتيب توفير الروبوتات للمحفزات الخفيفة وقدرات الاستشعار وفقا لاتجاهات نمو النبات كل منها يجري اختبارها.
    1. إنشاء كل روبوت حول جهاز كمبيوتر واحد لوح تمكين شبكة الاتصال المحلية اللاسلكية (WLAN). واجهة الكمبيوتر إلى أجهزة الاستشعار والمركبات عن طريق لوحة الدوائر المطبوعة المخصصة (PCB). قم بشحن كل روبوت على حدة، مع بطارية احتياطية خاصة به.
    2. وتشمل واحدة استشعار القرب IR في كل اتجاه يجري اختبارها للنباتات تقترب، وفقا للمتطلبات المذكورة أعلاه.
    3. وتشمل المصابيح بما فيه الكفاية لتقديم متطلبات الضوء الأزرق أعلاه، في اتجاه يجري اختبارها للنباتات تقترب.
      1. إذا كنت تستخدم مصابيح RGB بدلاً من المصابيح الزرقاء، قم اختيارياً بتمكين الانبعاث من الصمام الثنائي الأحمر عندما لا يكون الصمام الثنائي الأزرق في الاستخدام، لزيادة تسليم الضوء الأحمر الموصوف أدناه (لصحة النبات من خلال دعم التمثيل الضوئي).
      2. إذا كان الضوء الأحمر ينبعث من الروبوتات على فترات معينة، ثم استخدم الصمامات الثنائية الحمراء مع ذروة الانبعاثات في الحدالأقصى تقريبا ً = 625-650 نانومتر، مع عدم وجود أطوال موجية حرجة تتداخل مع النطاق الأخضر (أي أقل من 550 نانومتر) أو النطاق الأحمر البعيد (أي فوق 700 نانومتر).
      3. لا تسمح للصمامات الثنائية الحمراء بإنتاج مستويات حرارة أعلى من تلك الموجودة في الثنائيات الزرقاء.
    4. قم بتضمين الأجهزة التي تمكن الإشارات المحلية بين الروبوتات. قم بتضمين جهاز مقاومة للضوء (أي المقاوم المعتمد على الضوء أو LDR) لكل اتجاه من اتجاهات الروبوت المجاور لمراقبة حالة الانبعاث الضوئي الخاصة بهم. بدلامن ذلك، قم بالتواصل مع حالة الجيران المحليين عبر شبكة WLAN.
    5. وتشمل الأجهزة لتبديد الحرارة، كما هو مطلوب من قبل ظروف الثنائيات الزرقاء المختارة والروبوت العلبة المستخدمة. تنفيذ من قبل مزيج من المنيوم الأحواض الحرارية، فتحات في الضميمة حالة الروبوت، والمراوح. تنشيط المراوح بواسطة جهاز استشعار درجة الحرارة الرقمية على الكمبيوتر واحد متن أو PCB تكميلية.
    6. تنظيم مكونات الروبوت بحيث يتم خدمة الاتجاهات ذات الصلة بشكل موحد.
      1. ضع الصمام الثنائي الأزرق لتوزيع كثافة ضوء مكافئة لكل اتجاه من الاتجاهات التي قد تقترب منها النباتات (أي من الدعائم الميكانيكية المرفقة بالنصف السفلي للروبوت، انظر الخطوة 2.5). توجيه كل صمام ثنائي في حالة الروبوت بحيث محور محور زاوية عدسة داخل 60 درجة من كل محور من الدعم الميكانيكي خدماتها، ووضعها إلى أن لا تكون مسدودة من قبل حالة الروبوت.
      2. ضع أجهزة الاستشعار قرب الأشعة تحت الحمراء بشكل مكافئ لاتجاهات النمو تقترب كل منها (أي من الدعائم الميكانيكية المرفقة بالنصف السفلي للروبوت، انظر الخطوة 2.5). ضع كل مستشعر قرب الأشعة تحت الحمراء ضمن 1 سم من نقطة التعلق بين الروبوت والدعم الميكانيكي الذي يتم خدمته، وتوجيهها بحيث تكون زاوية المشاهدة موازية لمحور الدعم. تأكد من عدم حظر باعثها والمتلقي من قبل حالة الروبوت.
      3. ضع أي أجهزة مقاومة للضوء للاتصال المحلي بما يعادل لكل اتجاه يواجه روبوت مجاور في الإعداد (أي من جميع الدعائم الميكانيكية المرفقة بالروبوت، انظر 2.5). توجيه كل photoresistor بحيث محور مركز زاوية المشاهدة في غضون 45 درجة من محور الدعم فإنه الخدمات، والموقف إلى أن لا تكون مسدودة من قبل حالة الروبوت.
    7. تجميع كافة المكونات مع الكمبيوتر واحد متن (الرجوع إلى الرسم التخطيطي كتلة في الشكل 2). تأكد من أن الكمبيوتر يمكن الوصول إليه بسهولة للصيانة بعد التجميع.
      1. واجهة المصابيح إلى الكمبيوتر عن طريق السائقين LED باستخدام تعديل عرض النبض. استخدم اتصال ميكانيكي ثابت بين المصابيح وإما العلبة أو المغسلة الحرارية، واستخدم اتصالًا غير مقيد ميكانيكيًا بين المصابيح والكمبيوتر.
      2. مراوح واجهة إلى الكمبيوتر عن طريق منظم خطي (أي التبديل) باستخدام إدخال غرض عام / دبوس رأس الإخراج. أضغط المراوح حيث يتوفر تدفق هواء كاف، مع ضمان عدم وضع أي إجهاد ميكانيكي عليها.
      3. واجهات أجهزة الاستشعار قرب الأشعة تحت الحمراء وأجهزة مقاومة للضوء عن طريق محول التناظرية إلى الرقمية، وذلك باستخدام واجهة هامشية المسلسل. استخدم اتصال ميكانيكي ثابت من أجهزة الاستشعار إلى الحالة، واتصال غير مقيد ميكانيكياً بالكمبيوتر.
      4. تصنيع حالة الروبوت من البلاستيك المقاوم للحرارة باستخدام إما انتقائية الليزر تكلس، تجسيم، النمذجة ترسيب تنصهر، أو حقن صب.
  5. دمج الروبوتات في مجموعة من الدعائم الميكانيكية وحدات التي تعقد بشكل مزدوج الروبوتات في موقف وتعمل بمثابة تسلق سقالة للنباتات، وتقييد مسارات النمو المتوسط المرجح للنباتات. تصميم الروبوتات لتكون بمثابة المفاصل الميكانيكية التكميلية بين الدعائم، ووضع بحيث تتقاطع مسارات نمو النبات.
    1. تقليل حجم الروبوت، وضمان أنه يمكن تجاوزها بشكل موثوق من قبل غيض متزايد غير معتمد من الأنواع النباتية المختارة. تقليل حجم الروبوت إلى أقصى حد ممكن لزيادة سرعة التجربة.
    2. شكل الجدران الخارجية للجسم الروبوت لتكون غير مزعجة لنمو النبات قدر الإمكان عندما تلميح متزايد يتنقل تدريجيا حول الروبوت. جولة أو وجه الجسم الروبوت لعدم منع مسار حلزوني من تطويق في الأنواع النباتية التوأمة. استبعاد النتوءات الحادة والمسافة البادئة الحادة.
    3. حدد مادة وملف تعريف (أي شكل المقطع العرضي) للدعامات الميكانيكية، بحيث يمكن للأنواع النباتية المختارة أن تتسلقها بشكل فعال، على سبيل المثال قضيب خشبي ذو شكل دائري قطره حوالي 8 مم أو أقل. ضمان الدعائم الميكانيكية هي الهيكلية قاسية بما فيه الكفاية لدعم النباتات والروبوتات داخل الإعداد، معززة ورقة الاكريليك شفافة وراء الإعداد.
    4. على كل الروبوت تشمل نقاط المرفق لإرساء دعامات الميكانيكية المحددة. وتشمل واحدة لكل اتجاه الذي مصنع قد الاقتراب أو مغادرة الروبوت.
      1. لكل نقطة مرفق، وتشمل مأخذ في حالة الروبوت، مع أبعاد مطابقة المقطع العرضي من مواد الدعم.
      2. تعيين المقبس مع عمق لا يقل عن 1 سم.
    5. ترتيب الدعائم الميكانيكية في نمط شبكي بانتظام، قطري موحد مع زاوية الميل في 45 درجة أو أكثر انحدارا. جعل أطوال من دعم موحد. الحد الأدنى لطول الدعم المكشوف هو 30 سم، لإتاحة مساحة كافية لمصانع التسلق لإرفاق بعد استكشاف المنطقة في حالتها غير المدعومة. الطول المفضل هو 40 سم أو أكثر، للسماح ببعض العازلة للحالات القصوى إحصائيا من مرفق النبات.
    6. تجميع العناصر الميكانيكية مع الروبوتات. يفترض البروتوكول التالي طول دعم مكشوف 40 سم، وإعداد من ثمانية روبوتات في أربعة صفوف (انظر الشكل 6). لأحجام أخرى، مقياس وفقا لذلك.
      1. على سطح الأرض، بناء موقف 125 سم واسعة التي هي قادرة على عقد الإعداد في وضع تستقيم.
      2. قم بلصق ورقة 125 سم × 180 سم (8 مم أو أكثر) من الاكريليك الشفاف على المنصة، بحيث تقف منتصبة.
      3. وضع الأواني مع التربة المناسبة على الوقوف، ضد ورقة الاكريليك.
      4. الصق اثنين من المفاصل الميكانيكية y إلى ورقة الاكريليك، 10 سم فوق الأواني. وضع المفاصل 45 سم و 165 سم إلى اليمين، على التوالي، من الحافة اليسرى للحامل.
      5. الصق اثنين من الدعائم إلى اليسار y-مشتركة، يميل 45 درجة إلى اليسار وإلى اليمين، وتثبيت دعم واحد إلى y-المشترك الأيمن، يميل 45 درجة إلى اليسار.
      6. اضع اثنين من الروبوتات إلى ورقة الاكريليك، وإدراج نهايات يدعم وضعت سابقا في مآخذ في حالات الروبوت. ضع الروبوتات 35 سم فوق المفاصل، و 10 سم و 80 سم إلى اليمين، على التوالي، من الحافة اليسرى للحامل.
      7. كرر النمط للصق الروبوتات المتبقية ودعم في نمط شبكي قطريا (انظر الشكل6)، بحيث كل صف من الروبوتات هو 35 سم فوق الصف السابق، ويتم وضع كل روبوت أفقيا مباشرة فوق الروبوت أو y-المشترك الذي هو صفين تحته.

3. روبوت البرمجيات

  1. قم بتركيب نظام تشغيل (على سبيل المثال، Raspbian) على أجهزة الكمبيوتر ذات الألواح المفردة الخاصة بالروبوتات.
  2. خلال كل تجربة، قم بتشغيل بروتوكول البرنامج على كل روبوت بالتوازي، مما يتيح سلوكهم المستقل الموزع (انظر Wahby et al.14، للحصول على الكود الزائف والمزيد من التفاصيل).
  3. إنشاء دولتين ممكن ينم عن الروبوت: واحدة كونها حالة التحفيز خلالها الروبوت تنبعث الضوء الأزرق في كثافة المذكورة أعلاه; أما الحالة الأخرى فتكون خاملة لا يصدر خلالها الروبوت أي ضوء أو يصدر الضوء الأحمر كما هو موضح أعلاه.
    1. في حالة التحفيز، أرسل إشارة تعديل عرض النبض (PWM) عبر الكمبيوتر أحادي اللوحة مع تردد يتوافق مع السطوع المطلوب لمحركات المصابيح الزرقاء.
    2. في حالة السكون، لا يؤدي إلى وجود مصابيح المصابيح، أو إذا لزم الأمر إرسال إشارة PWM إلى برامج تشغيل المصابيح الحمراء فقط.
  4. في تجارب التحكم، تعيين جميع الروبوتات حالة نائمة .
  5. في تجارب قرار واحد، تعيين روبوت واحد الدولة الخاملة وروبوت واحد الدولة التحفيز.
  6. في تجارب القرارات المتعددة، بدء عملية التهيئة، كما يلي.
    1. تزويد كل روبوت خريطة تكوين كاملة لنمط نمو النبات ليتم اختبارها في التجربة الحالية.
    2. تعيين موقع الروبوت داخل النمط، إما تلقائيا باستخدام أجهزة استشعار التعريب أو يدويا.
    3. قارن موقع الروبوت بالخريطة التي تم توفيرها. إذا كان موقع الروبوت هو الموقع الأول على الخريطة، تعيين الروبوت إلى التحفيز. خلاف ذلك، تعيين الروبوت إلى نائمة. تنتهي عملية التهيئة.
  7. في تجارب متعددة القرارات، ابدأ عملية التوجيه، على النحو التالي. نفذ بشكل متكرر.
    1. تحقق من قراءة مستشعر القرب من الأشعة تحت الحمراء للروبوت لمعرفة ما إذا كان قد تم اكتشاف مصنع.
    2. إذا تم الكشف عن مصنع وتعيين الروبوت إلى نائمة، ثم الحفاظ على.
    3. إذا تم الكشف عن مصنع وتعيين الروبوت إلى التحفيز، ثم:
      1. إخطار الروبوتات المجاورة المجاورة التي تم الكشف عن مصنع، وتضمين موقع الروبوت في الرسالة.
      2. تعيين الروبوت إلى نائمة.
      3. قارن موقع الروبوت بالخريطة. إذا كان الروبوت في الموقع الأخير على الخريطة، ثم إرسال إشارة عبر WLAN أن التجربة كاملة.
    4. تحقق من رسائل الروبوت الواردة من الروبوتات المجاورة المجاورة لمعرفة ما إذا كان واحد منهم التي تم تعيينها لتحفيز قد اكتشفت مصنعا.
    5. إذا اكتشف أحد الجيران التحفيز مصنعًا، قارن موقع ذلك الجار بموقع الروبوت، وقارن أيضًا بالخريطة.
    6. إذا كان الروبوت في الموقع اللاحق على الخريطة، تعيين الروبوت لتحفيز .
    7. إنهاء الحلقة التكرارية لعملية التوجيه بمجرد تلقي إشارة أن التجربة كاملة.

4. مراقبة صحة النبات وإجراءات الصيانة

  1. حدد موقع إعداد التجربة في ظروف بيئية خاضعة للرقابة، وتحديداً، في الأماكن المغلقة بدون ضوء النهار أو ضوء آخر خارج عن الظروف الموصوفة أدناه، مع درجة حرارة الهواء والرطوبة المتحكم فيها، ومع سقي التربة الخاضعة للرقابة. مراقبة الشروط مع أجهزة الاستشعار المتصلة بوحدة تحكم أو جهاز كمبيوتر أحادي اللوحة تمكين WLAN.
  2. الحفاظ على التمثيل الضوئي النبات باستخدام مصابيح النمو LED الخارجية للروبوتات وتواجه الإعداد التجربة.
    1. استخدام مصابيح النمو لتوصيل الضوء الأحمر أحادي اللون إلى الإعداد، مع الصمامات الثنائية الحمراء التي تبلغ ذروتها الانبعاثات في الحدالأقصى تقريباً + 625-650 نانومتر، مع عدم وجود أطوال موجية حرجة خارج النطاق 550-700 نانومتر، باستثناء انخفاض معدل حدوث الضوء الأزرق المحيط إذا مفيدة لصحة الأنواع المختارة. إذا تم تضمين انخفاض معدل حدوث الضوء الأزرق المحيط، قم بتقييد المستويات عند جزء صغير جداً من تلك المنبعثة من روبوت واحد.
    2. توفير مستويات الضوء الأحمر المطلوبة لصحة الأنواع المختارة، وعادة ما يكون حوالي 2000 شمعة أو أكثر في المجموع.
    3. توجيه مصابيح النمو لمواجهة الإعداد التجربة، بحيث يتم توزيع هاميتنس بالتساوي تقريبا على منطقة النمو.
    4. راقب ظروف الضوء المحيط باستخدام مستشعر ألوان RGB.
  3. بعد الإنبات، توفير كل نبات وعاء الخاصة بها في قاعدة الإعداد التجربة. توفير حجم التربة المناسبة ونوع للأنواع المختارة. ضمان تطهير التربة والبذور قبل الإنبات. استخدام طرق مكافحة الآفات المناسبة لمنع أو إدارة الحشرات إذا كان موجودا.
  4. تنظيم مستويات درجة حرارة الهواء والرطوبة، وفقا للأنواع المختارة، وذلك باستخدام سخانات، ومكيفات الهواء، والمرطبات، ومزيلات الرطوبة. مراقبة مستويات باستخدام درجة الحرارة الضغط والرطوبة الاستشعار.
  5. رصد التربة باستخدام جهاز استشعار رطوبة التربة. الحفاظ على معدل مناسب من سقي للأنواع المختارة. تنفيذ باستخدام نظام سقي الآلي حيث يتم تسليم المياه إلى التربة عن طريق فوهات كما هو الحال من قبل قراءات استشعار رطوبة التربة، أو التربة المائية يدويا، كما ينظمها قراءات الاستشعار.

5- تصميم التجارب

  1. وضع الروبوتات والدعائم الميكانيكية في شبكة كبيرة بما يكفي لتغطية منطقة النمو ونمط يجري اختبارها في التجربة، وليس أصغر من صف واحد وعمودين من الروبوتات.
  2. أسفل الصف السفلي من الروبوتات، ضع صفاً من الدعائم الميكانيكية القطرية القياسية، مطابقة تلك في جميع أنحاء الإعداد. حيث تتقاطع الأطراف السفلية من هذه الدعائم، انضم إليها ميكانيكياً مع 'y-joint'. لكل 'y-مشترك' في قاعدة الإعداد، زرع عدد موحد من النباتات وفقا لحجم خلية الشبكة قطري (تقريبا مصنع واحد لكل 10 سم من طول الدعم الميكانيكي المكشوف)، مع ظروف صيانة صحة النبات المذكورة أعلاه.
  3. حدد نوع تجربة لتشغيلها، وحيثما يكون الأمر مناسباً حدد كمية وتوزيع الروبوتات.
    1. نوع التجربة 1: التحكم
      ملاحظة: هذا النوع من التجارب يختبر نمو نباتات التسلق في ظروف غائبة عن المحفزات الخفيفة لتحريك الفوتوتروبيسم. يمكن أن تعمل على أي حجم وشكل الإعداد.
      1. تعيين جميع الروبوتات حالة الخامل (انظر الخطوة 3.4) وتشغيلها بشكل مستمر حتى يتم تقييم النتائج يدويا ً أن تكون كاملة.
      2. لاحظ ما إذا كانت النباتات تعلق على الدعائم الميكانيكية. في تجربة ناجحة، لن تجد أي من النباتات أو نعلق على الدعائم الميكانيكية.
    2. نوع التجربة 2: قرار واحد
      ملاحظة: هذا النوع من التجارب يختبر مسارات نمو النباتات عندما تقدم مع الخيارات الثنائية – دعم واحد يؤدي إلى الروبوت الخامل ودعم واحد يؤدي إلى الروبوت التحفيز. يتم تشغيله فقط على الحد الأدنى للإعداد (أي صف واحد، عمودين).
      1. تعيين روبوت واحد الدولة الخاملة (انظر 3.5) وروبوت واحد الدولة التحفيز. تشغيل باستمرار حتى واحد من اثنين من الروبوتات بالكشف عن مصنع مع جهاز استشعار القرب من الأشعة تحت الحمراء.
      2. مراقبة تعلق النبات إلى الدعم الميكانيكي، والنمو على طول الدعم، وقراءات الاستشعار من الروبوت التحفيز. في تجربة ناجحة، الروبوت مع حالة التحفيز سوف تكشف عن مصنع بعد أن نمت على طول الدعم كل منهما.
    3. نوع التجربة 3: قرار متعدد
      ملاحظة: هذا النوع من التجارب يختبر نمو النباتات عند تقديمها مع ظروف المحفزات اللاحقة المتعددة، التي تؤدي إلى سلسلة من القرارات وفقا لخريطة عالمية محددة مسبقا. يمكن أن يتم تشغيله على أي حجم وشكل الإعداد الذي يحتوي على أكثر من الحد الأدنى لعدد الصفوف (أي اثنين أو أكثر).
      1. توفير خريطة عالمية للروبوتات للنمط الذي سيتم زراعته (انظر الخطوات 3-6-3-7-7).
      2. مراقبة الأحداث مرفق النبات ونمط النمو على طول الدعائم الميكانيكية.
        1. وفي تجربة ناجحة، سيكون مصنع واحد على الأقل قد نما على كل دعم موجود في الخريطة العالمية.
        2. بالإضافة إلى ذلك، في تجربة ناجحة لن يكون أي مصنع قد اختار الاتجاه غير الصحيح عندما يقع طرفه المتزايد في نقطة القرار النشطة حاليا.
        3. لا تنظر في نصائح النمو الدخيلة هنا، إذا كان الحدث المتفرع على سبيل المثال يضع تلميحاً جديداً في موقع قديم على الخريطة.

6. إجراءات التسجيل

  1. تخزين البيانات من أجهزة الاستشعار والكاميرات في البداية في الكمبيوتر واحد متن حيث تم إنشاء البيانات على متن الطائرة. تشغيل ملقمات الرد على متن الطائرة التي تستجيب للطلبات المطلوبة، مثل آخر قراءة مستشعر مخزنة. على فترات منتظمة تحميل البيانات وملفات السجل عبر WLAN إلى جهاز تخزين (NAS) متصل بالشبكة المحلية.
  2. التقط مقاطع فيديو ذات فترة زمنية من التجارب باستمرار باستخدام كاميرات متمركزة في نقطتين أو أكثر من نقاط المشاهدة، مع عرض كاميرا واحد على الأقل يشمل إعداد التجربة بالكامل. تأكد من الصور الملتقطة عالية الدقة بما فيه الكفاية لالتقاط بشكل كاف حركات نصائح زراعة النبات، وعادة ما يكون عرضها فقط بضعة ملليمترات.
    1. قم بأتمتة عملية التقاط الصور لضمان فترات زمنية متسقة بين الالتقاطات، وذلك باستخدام كاميرا على متن هاك أو كاميرا رقمية مستقلة يتم تشغيلها تلقائيًا باستخدام مقياس فاصل زمني. تثبيت المصابيح لتكون بمثابة ومضات، الآلي على غرار الكاميرات. تأكد من أن الفلاشات مشرقة بما يكفي للتنافس مع الضوء الأحمر لمصابيح النمو دون معالجة الصور لتصحيح الألوان بشكل كبير.
    2. حدد موقع الومضات بحيث يمكن أن يكون إعداد التجربة مضاءة بالكامل وبالتالي واضحة للعيان في الصور. مزامنة الكاميرات ومضات بحيث جميع الكاميرات التقاط الصور في وقت واحد، خلال فترة فلاش 2 s. التقاط الصور كل 2 دقيقة، لمدة كل تجربة.
  3. قم بتسجيل بيانات المستشعر البيئي، وتحديداً القراءات من مستشعر درجة الحرارة والضغط والرطوبة، ومستشعر ألوان RGB، ومستشعر رطوبة التربة. تسجيل البيانات من جميع الروبوتات في الإعداد، وعلى وجه التحديد جهاز استشعار القرب من الأشعة تحت الحمراء وقراءات مقاومة للضوء، فضلا عن الحالة الداخلية للروبوت الذي يحدد حالة الباعث على السعادة LED.
  4. إتاحة جميع البيانات المسجلة للرصد عن بعد للتجارب، من خلال تقارير منتظمة في الوقت الحقيقي، لضمان الحفاظ على الظروف الصحيحة لمدة التجربة الكاملة حتى عدة أشهر.

Representative Results

التحكم: سلوك النبات دون المحفزات الروبوتية.
بسبب عدم وجود الضوء الأزرق (أي، جميع الروبوتات هينائمة)، لا يتم تشغيل phototropism إيجابية في المصنع. ولذلك، تظهر النباتات نمو صعودي غير متحيز لأنها تتبع الجاذبية. كما أنها تعرض تطويق نموذجي (أي متعرج)، انظر الشكل 4A. كما هو متوقع، تفشل المصانع في العثور على الدعم الميكانيكي مما يؤدي إلى الروبوتات الخاملة. تنهار النباتات عندما لم تعد قادرة على دعم وزنها. نوقف التجارب عندما ينهار مصنعان على الأقل، انظر الشكل 4B،C.

قرارات فردية أو متعددة: سلوك النبات مع المحفزات الروبوتية
في أربع تجارب قرار واحد، اثنين من أشواط لديها التوجيه اليساري (أي، يتم تنشيط الروبوت الأيسر من البيفوركاتيون لتحفيز)، واثنين من أشواط لها توجيه نحو اليمين. الروبوتات التحفيز توجيه بنجاح النباتات نحو الدعم الصحيح، انظر الشكل 5. أقرب مصنع مع زاوية الجذعية الأكثر مماثلة لتلك التي من الدعم الصحيح تعلق أولا. في كل تجربة، مصنع واحد على الأقل يعلق على الدعم ويصعد حتى تصل إلى الروبوت التحفيز وبالتالي ينتهي التجربة. في تجربة واحدة، مصنع الثاني تعلق على الدعم الصحيح. النباتات المتبقية قد نعلق كذلك في فترات تجربة أطول. لا أحد من النباتات تعلق على الدعم غير صحيح. كل تجربة تعمل بشكل مستمر لمدة 13 يوما في المتوسط.

في تجربتين متعددي القرارات، تنمو النباتات لتصبح نمط متعرج محدد مسبقاً، انظر الشكل 6A. كل تجربة تعمل لمدة سبعة أسابيع تقريبا. كما تبدأ تجربة، الروبوت يحدد وضعه إلى التحفيز (انظر 3.6.3) ويوجه النباتات نحو الدعم الصحيح وفقا للنمط المنصوص عليها. مصنع يعلق ويصعد عليه، وصوله إلى الروبوت التحفيز المنشط وبالتالي استكمال القرار الأول. وفقا ل 3.7.3, يصبح ال [بوثن] حاليّة تحفيزيّة بعد ذلك خاملة ويخطر جيرانه مجاورة. الجار الخامل الذي هو التالي على نمط متعرج تبديل نفسه إلى التحفيز (انظر 3.7.6). إذا تم الكشف عن النبات من قبل الروبوت نائمة، أن الروبوت لا يتفاعل (انظر 3.7.2). وتستمر المصانع وتكمل القرارات الثلاثة المتبقية بنجاح. ولذلك فإن نمط متعرج المعرفة مسبقا ً ينمو بالكامل، انظر الشكل 6B.

جميع بيانات التجربة، وكذلك مقاطع الفيديو، متاحة على الإنترنت24.

Figure 1
الشكل 1 الروبوت غير متحرك ومكوناته الأساسية. أعيد طبع الشكل من مؤلف المنشور Wahby وآخرون14، المستخدمة مع رخصة المشاع الإبداعي CC-BY 4.0 (انظر الملفات التكميلية) ، مع التعديلات كما يسمح بها الترخيص. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2 الرسم التخطيطي للمكونات للإلكترونيات الروبوت غير متحرك. يتم التفاعل بين السائقين IRLML2060 LED مع الكمبيوتر الروبوت واحد متن (على سبيل المثال التوت بي) عن طريق PWM للسيطرة على سطوع المصابيح. يتم واجهة مفتاح LP5907 مع الكمبيوتر أحادي اللوحة عبر دبوس رأس الإدخال/الإخراج (GPIO) للأغراض العامة، للتحكم في المروحة. يتم واجهة محول تناظري إلى رقمي (ADC) MCP3008 مع الكمبيوتر أحادي اللوحة عبر واجهة طرفية تسلسلية (SPI) لقراءة بيانات مستشعر الأشعة تحت الحمراء التناظرية والمقاوم المعتمد على الضوء (LDR). الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3 بعد وقت قصير '03.04.16،' تلميح النبات يصعد الدعم ويصل في مجال رؤية الروبوت. (أ) عينة الاستشعار IR-القرب قراءات الجهد تحجيم (محور عمودي) أثناء تجربة. تشير القيم العليا إلى الكشف عن طرف النبات. (ب) يتم وضع جهاز استشعار قرب الأشعة تحت الحمراء وتوجيهها وفقا لملحق الدعم، لضمان الكشف الفعال عن طرف النبات. أعيد طبع الشكل من مؤلف المنشور Wahby وآخرون14، المستخدمة مع رخصة المشاع الإبداعي CC-BY 4.0 (انظر الملفات التكميلية) ، مع التعديلات كما يسمح بها الترخيص. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 4
الشكل 4 تجارب التحكم إطارات النتائج تبين أن جميع النباتات الأربعة لم تعلق على أي دعم في غياب الضوء الأزرق. (أ) بعد خمسة أيام، جميع النباتات التي تنمو صعودا في واحدة من تجارب السيطرة (انظر (ج)لحالة النمو في وقت لاحق). (ب) بعد 15 يوما ، انهارت ثلاثة مصانع ، واحد لا يزال ينمو صعودا في أول تجربة السيطرة. (ج) بعد سبعة أيام، انهار مصنعان، واثنين لا يزالان ينموان صعوداً في تجربة التحكم الثانية (انظر (أ)لحالة النمو السابقة). أعيد طبع الشكل من مؤلف المنشور Wahby وآخرون14، المستخدمة مع رخصة المشاع الإبداعي CC-BY 4.0 (انظر الملفات التكميلية) ، مع التعديلات كما يسمح بها الترخيص. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 5
الشكل 5 تجارب قرار واحد إطارات النتيجة تبين قدرة الروبوت التحفيز لتوجيه النباتات من خلال قرار ثنائي، لتسلق الدعم الصحيح. في جميع التجارب الأربع، يتم تعيين روبوت واحد لتحفيز والآخر إلى نائمة-في الجانبين المتقابلين من تقاطع. الإطارات تظهر موقع النباتات الحق قبل الروبوت التحفيز بالكشف عنها. في كل تجربة على الأقل مصنع واحد يعلق على الدعم الصحيح، ولا مصنع تعلق على واحد غير صحيح. أيضا، تظهر النباتات غير المدعومة النمو منحازا نحو الروبوت التحفيز. E, F,G, H هي المقربة من A, B, C, D على التوالي. أعيد طبع الشكل من مؤلف المنشور Wahby وآخرون14، المستخدمة مع رخصة المشاع الإبداعي CC-BY 4.0 (انظر الملفات التكميلية) ، مع التعديلات كما يسمح بها الترخيص. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 6
الشكل 6 تجربة متعددة القرارات. (أ) يتم تمييز نمط متعرج المستهدف باللون الأخضر على الخريطة. (ب) الإطار الأخير من التجربة (بعد 40 يوما)، يظهر وضع النباتات قبل أن يكتشفها آخر روبوت تحفيزي على النمط. الروبوتات تنمو بنجاح نمط متعرج. أعيد طبع الشكل من مؤلف المنشور Wahby وآخرون14، المستخدمة مع رخصة المشاع الإبداعي CC-BY 4.0 (انظر الملفات التكميلية) ، مع التعديلات كما يسمح بها الترخيص. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Discussion

وتبين المنهجية المقدمة الخطوات الأولية نحو أتمتة توجيه نمو النبات القائم على المحفزات، لتوليد أنماط محددة. وهذا يتطلب الحفاظ على صحة النبات باستمرار مع الجمع في إعداد تجربة واحدة عوالم متميزة من استجابات النمو البيوكيميائية وهندسة وظائف الميكاترونيك الاستشعار، والاتصالات، وتوليد للرقابة من المحفزات. كما تركيزنا هنا على تسلق النباتات، والدعم الميكانيكي هو أيضا جزءا لا يتجزأ. إن الحد من الإعداد الحالي هو حجمه، ولكننا نعتقد أن منهجيتنا تتدرج بسهولة. يمكن تمديد السقالة الميكانيكية لإعدادات أكبر وبالتالي فترات أطول من النمو، والذي يسمح أيضا تكوينات وأنماط موسعة. هنا يقتصر الإعداد على بعدين وقرارات ثنائية من اليمين الأيسر، حيث يقتصر النمو على شبكة من الدعائم الميكانيكية عند 45 درجة ميل، وتقتصر مواقف قرار المصنع على عمليات التشبيك في تلك الشبكة. قد تشمل ملحقات الميكانيكية سقالة 3D والمواد المختلفة، للسماح للأشكال المعقدة9،19. يمكن اعتبار المنهجية نظامًا لزراعة الأنماط التي يحددها المستخدم تلقائيًا. من خلال توسيع التعقيد المحتمل للتكوينات الميكانيكية، يجب أن يواجه المستخدمون قيودا قليلة على أنماطهم المرغوبة. وبالنسبة لهذا التطبيق، ينبغي أن تؤكد أداة برمجيات المستعمل ينبغي أن تكون هذه الأداة قابلة للإنتاج، وينبغي للميكاترونيكس أن تنظم ذاتياً إنتاج النمط عن طريق توليد محفزات مناسبة لتوجيه المصانع. وينبغي أيضا توسيع البرنامج لتشمل خطط الانتعاش والسياسات التي تحدد كيفية مواصلة النمو إذا كان النمط الأصلي المخطط قد فشلت جزئيا على سبيل المثال إذا كان الروبوت المنشط الأول لم يكتشف مصنعا ولكن تلك الخاملة لديها ينظر إلى أن موقف من النصائح المتنامية هي وراء الروبوت المنشط.

في ال يقدّم منهجيّة, مثال نباتيّة نوع يلتقي البروتوكول إنتقاء معايير ال يصعد فول عاديّة, [ب.]. [فولووو][س.]. هذا هو النوع المستخدم في النتائج التمثيلية. كما P. الشائعق لديه الفوتوتروبيسم إيجابية قوية للأشعة فوق البنفسجية-A والضوء الأزرق, سوف فوتوتروبينس (بروتينات مستقبلات الضوء) في النبات امتصاص الفوتونات المقابلة للأطوال الموجية 340-500 نانومتر. عندما يتم تشغيل المستقبلات، سوف يحدث تورم الأول في الجذعية عن طريق نقل تفضيلية من المياه إلى الأنسجة الجذعية معارضة مستقبلات أثار، مما تسبب في استجابة الاتجاه عكسها. ثم، داخل الجذعية، يتم توجيه أوكسين (هرمون النقوش النباتية) إلى نفس موقع الأنسجة، وإدامة الاستجابة الاتجاهية وتحديد الأنسجة الجذعية لأنها تصلب. يمكن استخدام هذا السلوك لتشكيل النباتات في هذه الظروف الداخلية الخاضعة للرقابة، حيث تتعرض النباتات فقط للضوء الأزرق المعزول والضوء الأحمر المعزول، مع وقوع ضوء أحمر بعيد من أجهزة استشعار القرب من الأشعة تحت الحمراء عند مستويات منخفضة بما فيه الكفاية بحيث لا يتدخل مع السلوكيات مثل الظل تجنب الاستجابة20,21. رد فعل الفوتوتروبيسم في المصنع يستجيب في الإعداد للضوء من الثنائيات الزرقاء مع ذروة الانبعاثات + max = 465 نانومتر، والتمثيل الضوئي22،23 في المصنع معتمد من قبل الثنائيات الحمراء مع ذروة الانبعاثات + max = 650 نانومتر. P. الشائعق تنمو حتى عدة أمتار في الارتفاع هو مناسبة في الإعداد العام, كما تقريبا 3 L من التربة البستنة التجارية اللازمة في وعاء يناسب مقياس الإعداد.

على الرغم من أن الإعداد الحالي يركز على الضوء كحافز جذب، قد تكون المحفزات الإضافية ذات صلة لأنواع التجارب الأخرى. إذا كان النمط المطلوب يتطلب فصل بين مجموعات مختلفة من النباتات (على سبيل المثال، النمط المطلوب يحتاج إلى مجموعتين من النباتات لاختيار الجانبين المتقابلين)، ثم قد لا يكون ممكنا باستخدام نوع واحد فقط من التحفيز. لمثل هذه الأنماط النمو المعقدة مستقلة عن شكل سقالة، يمكن أن تنمو مجموعات مختلفة من النباتات في فترات زمنية مختلفة بحيث المحفزات الجذب الخاصة بهم لا تتدخل، والتي من شأنها أن تسمح أيضا التكامل من المتفرعة الاحداث. ومع ذلك، قد لا يكون هذا دائما حلا مناسبا، ويمكن بعد ذلك تحفيز الضوء جذابة القياسية يمكن أن تزيد من خلال صد التأثيرات مثل المظللة، أو من قبل غيرها من المحفزات مثل الضوء الأحمر البعيد أو المحركات الاهتزاز9،14.

إن الطريقة المقدمة وتصميم التجربة ليسا سوى خطوة أولى أولية نحو منهجية متطورة للتأثير تلقائياً على نمو المصانع في الاتجاه. إعداد التجربة هو أساسي من خلال تحديد فقط سلسلة من القرارات الثنائية في النباتات ونحن نركز على واحد، من السهل إدارة التحفيز. وسيلزم إجراء دراسات إضافية لإثبات الأهمية الإحصائية للأسلوب، وإضافة المزيد من المحفزات، والسيطرة على عمليات أخرى مثل التفرع. مع التطوير الكافي لضمان موثوقية الروبوتات على المدى الطويل، يمكن أن تسمح المنهجية المقدمة بأتمتة تجارب المصانع على مدى فترات زمنية طويلة، مما يقلل من النفقات العامة المرتبطة بدراسة مراحل تطوير النبات ما وراء ذلك من يطلق النار. ويمكن أن تسمح أساليب مماثلة بإجراء تحقيقات في المستقبل في الديناميات التي لم يتم استكشافها بالقدر الكافي بين الكائنات البيولوجية والروبوتات المستقلة، عندما يعمل الاثنان كنظم ذاتية التنظيم ذاتية التنظيم مقرونة بإحكام.

Disclosures

ويعلن أصحاب البلاغ أنه ليس لديهم مصالح مالية متنافسة.

Acknowledgments

وقد دعمت هذه الدراسة من قبل مشروع فلورا روبوتا التي تلقت التمويل من برنامج الاتحاد الأوروبي أفق 2020 للبحث والابتكار بموجب اتفاقية منحة FET، رقم 640959. ويشكر المؤلفان أناستاسيوس غيتسوبولس وإيوالد نيوفيلد على مساهمتهما في تجميع الأجهزة، وتانيا كاثرينا كايزر على مساهمتها في رصد التجارب النباتية.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
3D printed case Shapeways, Inc n/a Customized product, https://www.shapeways.com/
3D printed joints n/a n/a Produced by authors
Adafruit BME280 I2C or SPI Temperature Humidity Pressure Sensor Adafruit 2652
Arduino Uno Rev 3 Arduino A000066
CdS photoconductive cells Lida Optical & Electronic Co., Ltd GL5528
Cybertronica PCB Cybertronica Research n/a Customized product, http://www.cybertronica.de.com/download/D2_node_module_v01_appNote16.pdf
DC Brushless Blower Fan Sunonwealth Electric Machine Industry Co., Ltd. UB5U3-700
Digital temperature sensor Maxim Integrated DS18B20
High Power (800 mA) EPILED - Far Red / Infra Red (740-745 nm) Future Eden Ltd. n/a
I2C Soil Moisture Sensor Catnip Electronics v2.7.5
IR-proximity sensors (4-30 cm) Sharp Electronics GP2Y0A41SK0
LED flashlight (50 W) Inter-Union Technohandel GmbH 103J50
LED Red Blue Hanging Light for Indoor Plant (45 W) Erligpowht B00S2DPYQM
Low-voltage submersible pump 600 l/h (6 m rise) Peter Barwig Wasserversorgung 444
Medium density fibreboard n/a n/a For stand
Micro-Spectrometer (Hamamatsu) on an Arduino-compatible breakout board Pure Engineering LLC C12666MA
Pixie - 3W Chainable Smart LED Pixel Adafruit 2741
Pots (3.5 l holding capacity, 15.5 cm in height) n/a n/a
Power supplies (5 V, 10 A) Adafruit 658
Raspberry Pi 3 Model B Raspberry Pi Foundation 3B
Raspberry Pi Camera Module V2 Raspberry Pi Foundation V2
Raspberry Pi Zero Raspberry Pi Foundation Zero
RGB Color Sensor with IR filter and White LED - TCS34725 Adafruit 1334
Sowing and herb soil Gardol n/a
String bean SPERLI GmbH 402308
Transparent acrylic 5 mm sheet n/a n/a For supplemental structural support
Wooden rods (birch wood), painted black, 5 mm diameter n/a n/a For plants to climb

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Tags

هندسة العدد 149 الحيوي الهجين التنظيم الذاتي التحكم الموزع البناء التكيفي التكنولوجيا الحيوية فوتوتروبيسم
توفير الاستشعار الآلي والمحفزات لنمو النباتات الموجهة
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Wahby, M., Heinrich, M. K.,… More

Wahby, M., Heinrich, M. K., Hofstadler, D. N., Petzold, J., Kuksin, I., Zahadat, P., Schmickl, T., Ayres, P., Hamann, H. Robotic Sensing and Stimuli Provision for Guided Plant Growth. J. Vis. Exp. (149), e59835, doi:10.3791/59835 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter