वितरित रोबोट नोड्स चढ़ाई पौधों के विकास tractories चलाने के लिए नीले प्रकाश उत्तेजनाओं के दृश्यों प्रदान करते हैं। प्राकृतिक phototropism को सक्रिय करके, रोबोट बाइनरी बाएँ-दाएँ निर्णय के माध्यम से पौधों गाइड, उन्हें पूर्वनिर्धारित पैटर्न में बढ़ रही है कि इसके विपरीत द्वारा संभव नहीं हैं जब रोबोट निष्क्रिय कर रहे हैं.
रोबोट सिस्टम सक्रिय रूप से प्राकृतिक पौधों के हेरफेर के लिए शोध कर रहे हैं, आम तौर पर फसल, सिंचाई, और यांत्रिक खरपतवार नियंत्रण के रूप में कृषि स्वचालन गतिविधियों के लिए प्रतिबंधित. इस शोध का विस्तार, हम यहाँ एक उपन्यास पद्धति संकेतन और हार्मोन वितरण के लिए अपने प्राकृतिक तंत्र के माध्यम से पौधों की दिशात्मक विकास में हेरफेर करने के लिए परिचय. रोबोट उत्तेजनाओं प्रावधान की एक प्रभावी पद्धति पौधों में बाद में विकास के चरणों के साथ नए प्रयोग के लिए संभावनाओं को खोल सकते हैं, या इस तरह के हरे रंग की दीवारों के लिए पौधों को आकार देने के रूप में नए जैव प्रौद्योगिकी अनुप्रयोगों के लिए. पौधों के साथ बातचीत कई रोबोट चुनौतियों प्रस्तुत करता है, छोटे और चर संयंत्र अंगों की कम दूरी संवेदन सहित, और संयंत्र प्रतिक्रियाओं है कि प्रदान की उत्तेजनाओं के अलावा पर्यावरण द्वारा प्रभावित कर रहे हैं के नियंत्रित actuation. संयंत्र के विकास को चलाने के लिए, हम बढ़ रही युक्तियाँ की निकटता का पता लगाने के लिए सेंसर के साथ स्थिर रोबोट के एक समूह का विकास, और डायोड के साथ प्रकाश उत्तेजनाओं कि प्रकाश tropism actuate प्रदान करने के लिए. रोबोट चढ़ाई आम बीन के साथ परीक्षण कर रहे हैं, Phaseolus vulgariएस, एक नियंत्रित वातावरण में पांच सप्ताह तक durations होने प्रयोगों में. रोबोट के साथ क्रमिक रूप से तरंगदैर्ध्य 465 एनएम संयंत्र विकास पर नीले प्रकाश-पीक उत्सर्जन उत्सर्जन सफलतापूर्वक यांत्रिक समर्थन के साथ क्रमिक द्विआधारी निर्णय के माध्यम से चलाने के लिए लक्ष्य पदों तक पहुँचने के लिए. विकास पैटर्न ऊंचाई में 180 सेमी तक एक सेटअप में परीक्षण कर रहे हैं, संयंत्र लगभग सात सप्ताह की अवधि में संचयी लंबाई में लगभग 250 सेमी तक बड़े होने के साथ उपजी. रोबोट खुद को समन्वय और पूरी तरह से स्वायत्त रूप से काम करते हैं। वे अवरक्त निकटता सेंसर द्वारा संयंत्र सुझावों आ पता लगाने और रेडियो के माध्यम से संवाद करने के लिए नीले प्रकाश उत्तेजनाओं और निष्क्रिय स्थिति के बीच स्विच, के रूप में आवश्यक. कुल मिलाकर, प्राप्त परिणाम रोबोट और संयंत्र प्रयोग के तरीकों के संयोजन की प्रभावशीलता का समर्थन, प्राकृतिक और इंजीनियर स्वायत्त प्रणालियों के बीच संभावित जटिल बातचीत के अध्ययन के लिए.
विनिर्माण और उत्पादन में स्वचालन की बढ़ती व्याप्तता के अनुरूप रोबोट का उपयोग1 ,2,3,4,5की बुआई , उपचार और कटाई के पौधों के लिए किया जा रहा है . हम रोबोट प्रौद्योगिकी का उपयोग करने के लिए एक गैर इनवेसिव तरीके से संयंत्र प्रयोगों को स्वचालित, उत्तेजनाओं के लिए दिशात्मक प्रतिक्रियाओं के माध्यम से स्टीयरिंग विकास के उद्देश्य के साथ. पारंपरिक बागवानी प्रथाओं यांत्रिक संयम और काटने के द्वारा पेड़ों और झाड़ियों के मैनुअल आकार देने शामिल है. हम एक पद्धति है कि उदाहरण के लिए इस आकार देने के कार्य के लिए लागू किया जा सकता है प्रस्तुत, उत्तेजनाओं के साथ विकास पैटर्न स्टीयरिंग द्वारा. हमारे प्रस्तुत पद्धति भी स्वचालित संयंत्र प्रयोगों की दिशा में एक कदम है, यहाँ प्रकाश उत्तेजनाओं प्रदान करने पर एक विशेष ध्यान के साथ. एक बार प्रौद्योगिकी मजबूत और विश्वसनीय हो गया है, इस दृष्टिकोण के लिए संयंत्र प्रयोगों में लागत को कम करने और नए स्वचालित प्रयोगों है कि अन्यथा समय और मैनुअल श्रम में उपरि के कारण अव्यवहार्य होगा के लिए अनुमति देने की क्षमता है. रोबोट तत्व ोंकार स्वतंत्र रूप से प्रोग्राम कर रहे हैं और स्वायत्त कार्य के रूप में वे सेंसर से लैस कर रहे हैं, उत्तेजनाओं प्रावधान के लिए actuators, और माइक्रोप्रोसेसरों. जबकि हम निकटता संवेदन पर यहाँ ध्यान केंद्रित (यानी, करीब दूरी पर दूरी को मापने) और प्रकाश उत्तेजनाओं, कई अन्य विकल्प संभव हैं. उदाहरण के लिए, सेंसर संयंत्र रंग का विश्लेषण करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, जैव रासायनिक गतिविधि पर नजर रखने के लिए6, या phytosensing के लिए7 दृष्टिकोण संयंत्र इलेक्ट्रोफिजियोलॉजी8के माध्यम से उदाहरण के लिए पर्यावरण की स्थिति की निगरानी करने के लिए. इसी तरह, actuator विकल्प कंपन मोटर्स, छिड़काव उपकरणों, हीटर, प्रशंसकों, छायांकन उपकरणों, या निर्देशित शारीरिक संपर्क के लिए manipulators के माध्यम से उत्तेजनाओं9के अन्य प्रकार प्रदान कर सकते हैं. रोबोट (यानी, ‘धीमी बॉट’10)को धीमी गति से गतिशीलता प्रदान करने के लिए अतिरिक्त कार्यनीतियां लागू की जा सकती हैं ताकि वे धीरे-धीरे उस स्थिति और दिशा को बदल सकें जिससे वे उत्तेजनाएं प्रदान करते हैं। इसके अलावा, के रूप में रोबोट एकल बोर्ड कंप्यूटर से लैस कर रहे हैं, वे इस तरह के संयंत्र phenotyping11 या उत्तेजनाओं के लिए कृत्रिम तंत्रिका नेटवर्क नियंत्रकों के लिए visioning के रूप में और अधिक परिष्कृत प्रक्रियाओं चला सकता है12. के रूप में संयंत्र विज्ञान अनुसंधान ध्यान अक्सर जल्दी विकास पर है (यानी, शूटिंग में)13, स्वायत्त रोबोट प्रणालियों का उपयोग करने के लिए लंबी अवधि में पौधों को प्रभावित करने के पूरे डोमेन underexplored लगता है और कई भविष्य के अवसरों की पेशकश कर सकते हैं. यहां तक कि एक कदम आगे जा रहे हैं, रोबोट तत्वों को खुद अनुसंधान की वस्तुओं के रूप में देखा जा सकता है, रोबोट और पौधों द्वारा गठित जैव-हाइब्रिड प्रणालियों की जटिल गतिशीलता के अध्ययन को बारीकी से बातचीत करने की अनुमति देता है। रोबोट चुनिंदा पौधों पर उत्तेजनाओं को लागू, पौधों उनके अनुकूली व्यवहार के अनुसार प्रतिक्रिया और उनके विकास पैटर्न है, जो बाद में उनके सेंसर के माध्यम से रोबोट द्वारा पता चला है बदल जाते हैं. हमारे दृष्टिकोण पौधों और रोबोट के बीच व्यवहार प्रतिक्रिया पाश बंद कर देता है और एक homeostatic नियंत्रण पाश बनाता है.
रोबोट प्रणाली के समारोह का परीक्षण करने के लिए हमारे प्रयोगों में, हम विशेष रूप से चढ़ाई आम बीन का उपयोग करें, Phaseolus vulgariएस. इस सेटअप में, हम चढ़ाई पौधों का उपयोग करें, समग्र ऊंचाई 180 सेमी की एक gridded पाड़ में यांत्रिक समर्थन के साथ, इस तरह है कि पौधों thigmotropism से प्रभावित हैं और विकास दिशाओं का एक सीमित सेट से चुनने के लिए है. यह देखते हुए कि हम सप्ताह की अवधि में पूरे संयंत्र को आकार देना चाहते हैं, हम नीले प्रकाश उत्तेजनाओं का उपयोग करने के लिए संयंत्र के phototropism मैक्रोस्कोपी को प्रभावित, युवा शूटिंग और बाद में स्टेम stiffening सहित विभिन्न विकास अवधियों पर. हम पूरी तरह से नियंत्रित परिवेश प्रकाश की स्थिति में प्रयोग जहां नीले प्रकाश उत्तेजनाओं के अलावा अन्य हम विशेष रूप से लाल बत्ती प्रदान करते हैं, तरंगदैर्ध्य 650 एनएम पर शिखर उत्सर्जन के साथ आचरण. जब वे यांत्रिक समर्थन ग्रिड में एक विभाजन तक पहुँचने, वे एक द्विआधारी निर्णय है कि क्या छोड़ दिया है या सही हो जाना है. रोबोट इन यांत्रिक विभाजनों पर तैनात हैं, जो 40 सेमी की दूरी से अलग होते हैं। वे स्वायत्त सक्रिय और उनके नीले प्रकाश उत्सर्जन को निष्क्रिय, तरंगदैर्ध्य 465 एनएम पर शिखर उत्सर्जन के साथ, वांछित विकास पैटर्न के एक पूर्वनिर्धारित नक्शे के अनुसार (इस मामले में, एक वक्र पैटर्न). इस प्रकार, पौधों को विभाजन से एक परिभाषित अनुक्रम में विभाजन के लिए निर्देशित किया जाता है। एक दिए गए समय में केवल एक रोबोट सक्रिय होता है- जिसके दौरान यह नीले प्रकाश का उत्सर्जन करता है, जबकि इसके नीचे यांत्रिक सहायता पर पौधे की वृद्धि की निगरानी करता है। एक बार यह अपने अवरक्त निकटता सेंसर का उपयोग कर एक बढ़ती टिप का पता लगाता है, यह नीले प्रकाश उत्सर्जन बंद हो जाता है और रेडियो के माध्यम से अपने पड़ोसी रोबोट को संचार. रोबोट है कि खुद को अनुक्रम में अगले लक्ष्य तो बाद में सक्रिय हो जाता है, एक नया यांत्रिक विभाजन की ओर संयंत्र के विकास को आकर्षित निर्धारित करता है.
के रूप में हमारे दृष्टिकोण दोनों इंजीनियर और प्राकृतिक तंत्र को शामिल किया गया, हमारे प्रयोगों कई तरीकों है कि एक साथ काम करते हैं और interdependly शामिल हैं. यहाँ प्रोटोकॉल पहले विधि के प्रकार के अनुसार आयोजित किया जाता है, जिनमें से प्रत्येक एक एकीकृत प्रयोग सेटअप में एकीकृत किया जाना चाहिए. इन प्रकार के पौधे प्रजातियों का चयन कर रहे हैं; हार्डवेयर और यांत्रिकी सहित रोबोट डिजाइन; संचार और नियंत्रण के लिए रोबोट सॉफ्टवेयर; और पौधों के स्वास्थ्य की निगरानी और रखरखाव। प्रोटोकॉल तो प्रयोग डिजाइन के साथ आय, डेटा संग्रह और रिकॉर्डिंग के बाद. अब तक प्राप्त परिणामों की पूरी जानकारी के लिए, देखें Wahby एट अल14. प्रतिनिधि परिणाम तीन प्रकार के प्रयोगों को कवर करते हैं-नियंत्रण प्रयोग जहां सभी रोबोट उत्तेजनाओं को प्रदान नहीं करते हैं (यानी, निष्क्रिय हैं); एकल निर्णय प्रयोगों जहां संयंत्र एक उत्तेजनाओं प्रदान रोबोट और एक है कि निष्क्रिय है के बीच एक द्विआधारी विकल्प बनाता है; और कई निर्णय प्रयोगों जहां संयंत्र एक पूर्वनिर्धारित पैटर्न विकसित करने के लिए द्विआधारी विकल्पों का एक दृश्य नेविगेट करता है।
प्रस्तुत पद्धति विशिष्ट पैटर्न उत्पन्न करने के लिए, संयंत्र के विकास के उत्तेजनाओं संचालित स्टीयरिंग स्वचालित करने की दिशा में प्रारंभिक कदम से पता चलता है। यह संयंत्र स्वास्थ्य के निरंतर रखरखाव की आवश्यकता है, जबकि एक ही प्रयोग सेटअप जैव रासायनिक विकास प्रतिक्रियाओं के विभिन्न स्थानों में संयोजन और इंजीनियर mechatronic कार्यों संवेदन, संचार, और उत्तेजनाओं के नियंत्रित पीढ़ी. के रूप में हमारा ध्यान यहाँ चढ़ाई पौधों पर है, यांत्रिक समर्थन भी अभिन्न है. वर्तमान सेटअप की एक सीमा अपने पैमाने पर है, लेकिन हमें विश्वास है कि हमारी पद्धति आसानी से तराजू. यांत्रिक पाड़ बड़ा setups और इसलिए विकास की लंबी अवधि है, जो भी विस्तार विन्यास और पैटर्न की अनुमति देता है के लिए बढ़ाया जा सकता है. यहां सेटअप दो आयामों और बाएँ बाएँ-दाएँ निर्णयों तक सीमित है, क्योंकि विकास 45 डिग्री झुकाव पर यांत्रिक समर्थन के ग्रिड तक सीमित है, और संयंत्र निर्णय पदों कि ग्रिड के विभाजन तक सीमित हैं। यांत्रिक एक्सटेंशन 3 डी पाड़ और भिन्न सामग्री शामिल हो सकते हैं, जटिल आकार9,19के लिए अनुमति देने के लिए. पद्धति स्वचालित रूप से एक उपयोगकर्ता द्वारा परिभाषित पैटर्न विकसित करने के लिए एक प्रणाली पर विचार किया जा सकता है. यांत्रिक विन्यास के संभावित जटिलता का विस्तार करके, उपयोगकर्ताओं को अपने वांछित पैटर्न पर कुछ प्रतिबंध का सामना करना चाहिए. इस तरह के एक आवेदन के लिए, एक उपयोगकर्ता सॉफ्टवेयर उपकरण की पुष्टि करनी चाहिए कि पैटर्न उत्पादन योग्य है, और mechatronics तो स्वयं पौधों को चलाने के लिए उपयुक्त उत्तेजनाओं पैदा करके पैटर्न के उत्पादन को व्यवस्थित करना चाहिए. सॉफ्टवेयर भी वसूली की योजना और नीतियों का निर्धारण कैसे विकास के साथ जारी रखने के लिए अगर मूल योजना बनाई पैटर्न आंशिक रूप से विफल रहा है शामिल करने के लिए बढ़ाया जाना चाहिए उदाहरण के लिए अगर पहले सक्रिय रोबोट एक संयंत्र का पता चला है, लेकिन निष्क्रिय लोगों को कभी नहीं किया है देखा कि बढ़ती युक्तियों की स्थिति सक्रिय रोबोट से परे हैं.
प्रस्तुत पद्धति में, एक उदाहरण संयंत्र प्रजातियों प्रोटोकॉल चयन मानदंड को पूरा चढ़ाई आम बीन, पी vulgariएस है. यह प्रतिनिधि परिणामों में प्रयुक्त प्रजाति है। के रूप में पी vulgariएस यूवी-ए और नीले प्रकाश के लिए मजबूत सकारात्मक phototropism है, phototropins (प्रकाश-रिसेप्टर प्रोटीन) संयंत्र में तरंगदैर्ध्य 340-500 एनएम के लिए इसी फोटॉनों को अवशोषित करेगा. जब रिसेप्टर्स ट्रिगर कर रहे हैं, पहली सूजन स्टेम ऊतकों ट्रिगर रिसेप्टर्स का विरोध करने के लिए पानी की अधिमानी स्थानांतरण द्वारा स्टेम में हो जाएगा, एक प्रतिवर्ती दिशात्मक प्रतिक्रिया के कारण. फिर, स्टेम के भीतर, auxin (संयंत्र पैटर्न हार्मोन) एक ही ऊतक स्थान के लिए निर्देशित किया जाता है, दिशात्मक प्रतिक्रिया को बनाए रखने और स्टेम ऊतकों फिक्सिंग के रूप में वे कड़ा. यह व्यवहार इन नियंत्रित इनडोर स्थितियों में पौधों को आकार देने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, के रूप में पौधों को केवल अलग नीले प्रकाश और अलग लाल बत्ती को उजागर कर रहे हैं, घटना के साथ दूर-लाल प्रकाश IR से कम पर्याप्त स्तर है कि यह हस्तक्षेप नहीं करता है इस तरह के छाया से बचने प्रतिक्रिया के रूप में व्यवहार के साथ20,21. संयंत्र में प्रकाशट्रॉपअभिनक्त अभिक्रिया, शिखर उत्सर्जन के साथ नीले डायोडों से प्रकाश में प्रतिक्रिया करती है – अधिकतम 465 दउ, तथा प्रकाश संश्लेषण22,23 पादप में शिखर उत्सर्जन के साथ लाल डायोड द्वारा समर्थित है – अधिकतम 650 एनएम। पी vulgariऊंचाई में कई मीटर तक बढ़ रहा है समग्र सेटअप में उपयुक्त है, के रूप में मोटे तौर पर 3 मिट्टी प्रति बर्तन की जरूरत है सेटअप पैमाने फिट बैठता है.
यद्यपि वर्तमान सेटअप प्रकाश पर एक आकर्षण प्रोत्साहन के रूप में केंद्रित है, अतिरिक्त उत्तेजनाओं अन्य प्रयोग प्रकार के लिए प्रासंगिक हो सकता है. यदि वांछित पैटर्न पौधों के विभिन्न समूहों के बीच एक जुदाई की आवश्यकता है (जैसे, वांछित पैटर्न पौधों के दो समूहों की जरूरत है विपरीत पक्षों का चयन), तो यह उत्तेजना के केवल एक प्रकार का उपयोग कर संभव नहीं हो सकता है. पाड़ आकार से स्वतंत्र इस तरह के जटिल विकास पैटर्न के लिए, पौधों के विभिन्न समूहों संभावित रूप से विभिन्न समय अवधि में इस तरह के लिए उगाया जा सकता है कि उनके संबंधित आकर्षण उत्तेजनाओं में हस्तक्षेप नहीं करते हैं, जो भी शाखाओं के एकीकरण की अनुमति होगी घटनाओं. हालांकि, यह हमेशा एक उपयुक्त समाधान नहीं हो सकता है, और मानक आकर्षक प्रकाश उत्तेजना तो इस तरह के छायांकन के रूप में प्रभावreing द्वारा संवर्धित किया जा सकता है, या दूर लाल प्रकाश या कंपन मोटर्स9,14की तरह अन्य उत्तेजनाओं द्वारा .
प्रस्तुत विधि और प्रयोग डिजाइन केवल पौधों की दिशात्मक वृद्धि को स्वचालित रूप से प्रभावित करने के लिए एक परिष्कृत पद्धति की दिशा में एक प्रारंभिक पहला कदम है. प्रयोग सेटअप पौधों में केवल द्विआधारी निर्णयों के अनुक्रम का निर्धारण करके मूल होता है और हम एक पर ध्यान केंद्रित करते हैं, उत्तेजना का प्रबंधन करने में आसान होते हैं। अतिरिक्त अध्ययन विधि के सांख्यिकीय महत्व को साबित करने के लिए, और अधिक उत्तेजनाओं को जोड़ने के लिए, और इस तरह के शाखाकेन के रूप में अन्य प्रक्रियाओं को नियंत्रित करने के लिए आवश्यक होगा। रोबोट की दीर्घकालिक विश्वसनीयता की गारंटी के लिए पर्याप्त विकास के साथ, प्रस्तुत पद्धति लंबे समय अवधि में संयंत्र प्रयोगों के स्वचालन के लिए अनुमति दे सकता है, संयंत्र के विकास के चरणों के अध्ययन के साथ जुड़े उपरि को कम करने शूटिंग के उस से परे. इसी तरह के तरीकों जैविक जीवों और स्वायत्त रोबोट के बीच underexplored गतिशीलता में भविष्य की जांच के लिए अनुमति दे सकते हैं, जब दो कसकर युग्मित स्वयं के रूप में कार्य जैव-संकर प्रणालियों.
The authors have nothing to disclose.
इस अध्ययन वनस्पति robotica परियोजना है कि यूरोपीय संघ के क्षितिज 2020 अनुसंधान और नवाचार कार्यक्रम से FET अनुदान समझौते, संख्या 640959 के तहत धन प्राप्त द्वारा समर्थित किया गया था. लेखकों हार्डवेयर विधानसभा में उनके योगदान के लिए Anastasios Getsopulos और Ewald Neufeld धन्यवाद, और तंजा Katharina कैसर संयंत्र प्रयोगों की निगरानी में उनके योगदान के लिए.
3D printed case | Shapeways, Inc | n/a | Customized product, https://www.shapeways.com/ |
3D printed joints | n/a | n/a | Produced by authors |
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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 |
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