Distribuerade robotnoder ger sekvenser av blått ljus stimuli för att styra tillväxt banor av klätter växter. Genom att aktivera naturlig fototropism, robotarna vägleda växterna genom binära vänster-höger beslut, odla dem i fördefinierade mönster som däremot inte är möjligt när robotarna är vilande.
Robot system är aktivt forskat för manipulation av naturliga växter, typiskt begränsad till jordbruks Automation aktiviteter såsom skörd, bevattning och mekanisk ogräsbekämpning. Utvidga denna forskning, introducerar vi här en ny metod för att manipulera den riktade tillväxten av växter via deras naturliga mekanismer för signalering och hormon distribution. En effektiv metodik för robotiserade stimuli kan öppna möjligheter för nya experiment med senare utvecklings faser i växter, eller för nya biotekniska tillämpningar som att forma växter för gröna väggar. Interaktion med växter presenterar flera robot utmaningar, inklusive kort distans avkänning av små och rörliga växt organ, och kontrollerad aktivering av växtrespons som påverkas av miljön utöver de tillhandahållna stimuli. För att styra växternas tillväxt, utvecklar vi en grupp orörbara robotar med sensorer för att upptäcka närheten till växande tips, och med dioder för att ge ljus stimuli som aktiverar fototropism. Robotarna testas med klätt ring gemensamma bönor, Phaseolus vulgaris, i experiment med löp tider upp till fem veckor i en kontrollerad miljö. Med robotar sekventiellt avger blått ljus-Peak emission vid våglängd 465 nm-växternas tillväxt framgångs rikt styrs genom successiva binära beslut längs mekaniska stöd för att nå mål positioner. Tillväxt mönster testas i en setup upp till 180 cm i höjd, med växt stammar vuxit upp till ungefär 250 cm i kumulativ längd under en period av cirka sju veckor. Robotarna koordinerar sig och fungerar helt självständigt. De upptäcker närmar sig växttips av infraröda sensorer närhet och kommunicera via radio för att växla mellan blått ljus stimuli och vilande status, som krävs. Sammantaget ger de erhållna resultaten stöd för effektiviteten av att kombinera robot och växt experiment metoder, för studiet av potentiellt komplexa interaktioner mellan naturliga och konstruerade autonoma system.
Kongruenta med den ökande förekomsten av automatisering inom tillverkning och produktion, är robotar som används för att så, behandla och skörd växter1,2,3,4,5. Vi använder robot teknik för att automatisera växt experiment på ett icke-invasivt sätt, med syftet att styra tillväxten genom riktnings svar på stimuli. Traditionella trädgårds skötsel metoder har inkluderat manuell formning av träd och buskar genom mekanisk återhållsamhet och skärning. Vi presenterar en metodik som exempelvis kan appliceras på denna formnings uppgift genom att styra tillväxt mönster med stimuli. Vår presenterade metodik är också ett steg mot automatiserade växt experiment, här med ett specifikt fokus på att ge ljus stimuli. När tekniken har blivit robust och pålitlig, har denna metod potential att minska kostnaderna i växt experiment och att möjliggöra nya automatiserade experiment som annars skulle vara omöjligt på grund av overhead i tid och manuellt arbete. Robot elementen är fritt programmerbara och fungerar självständigt eftersom de är utrustade med sensorer, ställdon för stimuli och mikroprocessorer. Även om vi fokuserar här på närhet avkänning (dvs., mäta avstånd på nära håll) och ljus stimuli, många andra alternativ är genomförbara. Till exempel kan sensorer användas för att analysera växternas färg, för att övervaka biokemisk aktivitet6, eller för fytosensing7 metoder för att övervaka till exempel miljö förhållanden genom växternas elektrofysiologi8. På samma sätt kan manöver Donets alternativ ge andra typer av stimuli9, genom vibrations motorer, Sprayenheter, värmare, fläktar, skuggnings anordningar eller manipulatorer för riktad fysisk kontakt. Ytterligare aktivering strategier kan genomföras för att ge långsam rörlighet till robotar (dvs “långsam bots”10), så att de kan gradvis ändra position och riktning som de ger stimuli. Dessutom, eftersom robotarna är utrustade med enkel-Board datorer, de kunde köra mer sofistikerade processer såsom visioner för växt fenotypning11 eller konstgjorda neurala nätverk regulatorer för stimuli aktivering12. Eftersom växtvetenskaplig forskning fokuserar ofta på tidig tillväxt (dvs. i skott)13, verkar hela domänen för att använda autonoma robot system för att påverka växter under längre perioder underutforskad och kan erbjuda många framtida möjligheter. Going ännu ett steg längre, kan de robotliknande element ses som föremål för forskning själva, vilket gör det möjligt att studera den komplexa dynamiken i bio-hybridsystem som bildas av robotar och växter nära interagerar. Robotarna selektivt införa stimuli på växterna, växterna reagerar enligt deras adaptiva beteende och ändra deras tillväxt mönster, som sedan upptäcks av robotarna via deras sensorer. Vårt tillvägagångs sätt stänger den beteendemässiga feedbackslingan mellan växterna och robotarna och skapar en homeostatisk kontroll slinga.
I våra experiment för att testa funktionen av robot systemet, använder vi uteslutande klätt ring gemensamma bönor, Phaseolus vulgaris. I denna installation använder vi klätter växter, med mekaniska stöd i en inrutade ställningen av total höjd 180 cm, så att växterna påverkas av thigmotropism och har en begränsad uppsättning tillväxt riktningar att välja mellan. Med tanke på att vi vill forma hela växten under en period av veckor, använder vi blåljus stimuli för att påverka växtens fototropism makroskopiskt, under olika tillväxt perioder inklusive unga skott och senare stjälk stelhet. Vi genomför experimenten i helt kontrollerade omgivnings ljus förhållanden där annat än det blå ljuset stimuli vi ger uteslutande rött ljus, med topp emission vid våglängd 650 Nm. När de når en bifurkation i det mekaniska stöd rutnätet, de gör ett binärt beslut om att växa vänster eller höger. Robotarna är placerade vid dessa mekaniska bifurcations, separerade med avstånd av 40 cm. De aktiverar och avaktiverar autonomt sitt blåljus, med topp emission vid våglängd 465 nm, enligt en fördefinierad karta över önskat tillväxt mönster (i detta fall ett sicksackmönster). På detta sätt, växterna styrs från bifurkation till bifurkation i en definierad sekvens. Endast en robot aktive ras vid en given tidpunkt – under vilken den avger blått ljus samtidigt som den självständigt övervakar växternas tillväxt på det mekaniska stödet under den. När den upptäcker en växande spets med hjälp av dess infraröda sensorer, slutar det avger blått ljus och kommunicerar med sina angränsande robotar via radio. Roboten som bestämmer sig för att vara nästa mål i sekvensen därefter aktive ras, locka växters tillväxt mot en ny mekanisk bifurcation.
Eftersom vårt tillvägagångs sätt innefattar både konstruerade och naturliga mekanismer omfattar våra experiment flera metoder som fungerar samtidigt och är beroende av varandra. Protokollet här är först organiseras enligt typ av metod, som var och en måste integreras i en enhetlig experiment setup. Dessa typer är växtart urval; robot konstruktion inklusive hård vara och mekanik; robot program vara för kommunikation och kontroll; övervakning och underhåll av växt skydd. Protokollet fortsätter sedan med experiment designen, följt av data insamling och inspelning. För fullständiga uppgifter om resultat som erhållits hittills, se Wahby et al.14. Representativa resultat omfattar tre typer av experiment – kontroll experiment där alla robotar inte ger impulser (dvs. är vilande). enstaka beslut experiment där anläggningen gör ett binärt val mellan en stimuli-som ger roboten och en som är vilande; och flera besluts experiment där anläggningen navigerar en sekvens av binära val att växa ett fördefinierat mönster.
Den presenterade metoden visar initiala steg mot att automatisera den stimuli-drivna styrningen av växternas tillväxt, för att generera specifika mönster. Detta kräver kontinuerligt underhåll av växt hälsan samtidigt som den kombineras till ett enda experiment setup de distinkta världarna av biokemiska tillväxt svar och konstruerade mekatronisk funktioner-avkänning, kommunikation och kontrollerad generering av stimuli. Som vårt fokus här är på klätter växter, är mekaniskt stöd också integrerad. En begränsning av den nuvarande inställningen är dess omfattning, men vi tror att vår metodik lätt skalas. Den mekaniska ställningen kan för längas för större uppställningar och därmed längre perioder av tillväxt, vilket också möjliggör utökade konfigurationer och mönster. Här är inställningen begränsad till två dimensioner och binära vänster-höger beslut, eftersom tillväxten är begränsad till ett rutnät av mekaniska stöd vid 45 ° lutning, och anläggningens beslut positioner är begränsade till det nätets bifurcations. Mekaniska förlängningar kan omfatta 3D ställningar och olika material, för att möjliggöra komplexa former9,19. Metoden kan betraktas som ett system för att automatiskt växa mönster som definierats av en användare. Genom att utvidga den möjliga komplexiteten av mekaniska konfigurationer, användare bör möta några restriktioner på deras önskade mönster. För en sådan ansökan, en användare program vara verktyg bör bekräfta att mönstret är producible, och mekatronik bör sedan själv organisera produktionen av mönstret genom att generera lämpliga stimuli för att styra växterna. Program varan bör också utvidgas till att omfatta återhämtnings planer och politik som avgör hur man kan fortsätta med tillväxten om det ursprungliga planerade mönstret delvis har misslyckats-till exempel om den första aktiverade roboten aldrig har upptäckt en anläggning, men de vilande dem har sett att placeringen av de växande spetsarna är bortom den aktiverade roboten.
I den presenterade metoden, ett exempel växt arter som uppfyller protokollet urvalskriterier är klätt ring gemensamma bönor, P. vulgaris. Detta är den art som används i representativa resultat. Som P. vulgaris har stark positiv fototropism till UV-A och blått ljus, den phototropins (ljus-receptor proteiner) i anläggningen kommer att absorbera fotoner motsvarande våg längder 340-500 Nm. När receptorerna utlöses, första svullnad kommer att ske i stammen av preferens omlokalisering av vatten till stamceller vävnader motsatta de utlösta receptorer, orsakar en reversibel riktad respons. Sedan, inom stammen, auxin (växt mönster hormon) är riktad till samma vävnad plats, vidmakthåller riktad respons och fast ställande stamceller vävnader som de stelnar. Detta beteende kan användas för att forma växterna i dessa kontrollerade inomhus förhållanden, eftersom växterna utsätts endast för isolerade blått ljus och isolerade rött ljus, med infallande långt rött ljus från IR-närhet sensorer på låga nivåer att det inte stör med uppföranden liksom skugga-undvikande svaret20,21. Fototropismen reaktion i växten reagerar i inställningen för att tända från blått dioder med maximal emission ƛmax = 465 nm, och photosynthesis22,23 i växten stöttas av röda dioder med maximal utsläpp ƛmax = 650 Nm. P. vulgaris växer upp till flera meter i höjd är lämplig i den övergripande installationen, eftersom ungefär 3 L av kommersiella trädgårds skötsel jord behövs per pott passar inställnings skalan.
Även om den nuvarande inställningen fokuserar på ljus som en attraktion stimulans, ytterligare stimuli kan vara relevanta för andra experiment typer. Om det önskade mönstret kräver en separation mellan olika grupper av växter (t. ex. det önskade mönstret behöver två grupper av växter för att välja motsatta sidor), då det kanske inte är genomförbart med bara en typ av stimulans. För sådana komplexa tillväxt mönster oberoende av ställnings form, kan de olika grupperna av växter potentiellt odlas i olika tids perioder så att deras respektive attraktion stimuli inte stör, vilket också skulle möjliggöra integrationen av förgrening Händelser. Detta kan dock inte alltid vara en lämplig lösning, och standarden attraktiva ljus stimulans kan sedan förstärkas genom repellerande influenser såsom skuggning, eller av andra stimuli som långt-rött ljus eller vibrationer motorer9,14.
Den presenterade metoden och experiment designen är bara ett första steg mot en sofistikerad metodik för att automatiskt påverka växternas riktnings tillväxt. Experimentet installationen är grundläggande genom att fastställa endast en sekvens av binära beslut i växterna och vi fokuserar på en, lätt att hantera stimulans. Ytterligare studier skulle krävas för att bevisa metodens statistiska signifikans, för att lägga till mer stimuli, och för att styra andra processer såsom förgrening. Med tillräcklig utveckling för att garantera robotars tillförlitlighet på lång sikt, kan den presenterade metoden möjliggöra automatisering av växt experiment över långa tids perioder, vilket minskar den overhead som är förknippad med studiet av växt utvecklings stadier Utöver skott. Liknande metoder kan möjliggöra framtida utredningar av den underutforskade dynamiken mellan biologiska organismer och autonoma robotar, när de två fungerar som tätt kopplade självorganiserande bio-hybridsystem.
The authors have nothing to disclose.
Denna studie stöddes av flora Robotica projekt som fick finansiering från Europeiska unionens Horisont 2020 forsknings-och innovations program inom FET-bidragsavtalet, nr 640959. Författarna tackar Anastasios Getsopulos och Ewald Neufeld för deras bidrag i hård varu monteringen, och Tanja Katharina Kaiser för hennes bidrag i övervakningen av växt experiment.
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 |