गाइडेड प्लांट ग्रोथ के लिए रोबोटिक सेंसिंग और स्टिमुली प्रोविजन

Engineering
 

Summary

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.

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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).

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Abstract

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.

Introduction

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।

Protocol

1. संयंत्र प्रजातियों चयन प्रक्रिया

नोट: इस प्रोटोकॉल चढ़ाई से संबंधित संयंत्र व्यवहार पर केंद्रित है, प्रकाश के लिए दिशात्मक प्रतिक्रियाओं, और स्वास्थ्य और विशिष्ट मौसम, स्थान, और प्रयोगात्मक स्थितियों में पौधों के अस्तित्व.

  1. बढ़ते सुझावों में मजबूत सकारात्मक प्रकाश-प्रवर्तन15,16 यूवी-ए और नीले प्रकाश (340-500 एनएम) की ओर प्रदर्शित करने के लिए जाना जाता एक संयंत्र प्रजातियों का चयन करें।
  2. एक प्रजाति है कि एक winder है, जिसमें खतना17 व्यवहार स्पष्ट है और बढ़ती टिप विशिष्ट प्रयोगात्मक स्थितियों में इस्तेमाल यांत्रिक समर्थन करता है चारों ओर हवा के लिए पर्याप्त आयाम के साथ कुंडलिनी tracectories है का चयन करें। चयनित विंडर द्वारा प्रदर्शित जुड़वां18 व्यवहार प्रयोग में मौजूद पर्यावरण और पोषक तत्वों की स्थिति को सहन करना चाहिए और 45 डिग्री तक झुकाव के कोण के साथ यांत्रिक समर्थन को सहन करना चाहिए।
  3. एक प्रजाति है कि मज़बूती से और जल्दी से प्रयोगात्मक स्थितियों में विकसित होगा का चयन करें, एक औसत विकास की गति के साथ कम से कम लगभग 5 सेमी प्रति दिन, और अधिमानतः तेजी से यदि संभव हो तो.
  4. एक प्रजाति है कि वर्तमान मौसम और भौगोलिक स्थान में आवश्यक व्यवहार प्रदर्शित करेगा का चयन करें.
  5. सुनिश्चित करें कि प्रजातियों प्रयोगात्मक सेटअप में मौजूद हो जाएगा कि पर्यावरण मानकों की सीमा बर्दाश्त. संयंत्र हरी प्रकाश की अनुपस्थिति और दृश्य स्पेक्ट्रम (400-700 एनएम) के बाहर प्रकाश की अनुपस्थिति को सहन करना चाहिए। संयंत्र भी तापमान में किसी भी वर्तमान उतार चढ़ाव बर्दाश्त करना चाहिए, लगभग 27 डिग्री सेल्सियस पर रखा, साथ ही नमी और पानी में किसी भी वर्तमान उतार चढ़ाव.

2. रोबोट की स्थिति और डिजाइन

  1. एकल-बोर्ड कंप्यूटरों के साथ विकेन्द्रीकृत नोड्स में रोबोट क्षमताओं को व्यवस्थित करें (चित्र 1 और चित्र ााा 2देखें), मॉड्यूलर यांत्रिक समर्थनों में एकीकृत. सुनिश्चित करें कि प्रत्येक समान रोबोट नोड अपने स्वयं के व्यवहार को नियंत्रित करने और निष्पादित करने में सक्षम है।
  2. पौधों के लिए उत्तेजनाओं के रोबोट प्रावधान के लिए, नियंत्रणीय अंतराल पर पौधों को नीली बत्ती (400-500 एनएम) प्रदान करते हैं, एक तीव्रता है कि उनके phototropic प्रतिक्रिया ट्रिगर होगा पर, दिशा और प्रयोग के संबंधित भाग के लिए आवश्यक अभिविन्यास से .
    1. एक लाल-हरे-नीले (आरजीबी) प्रकाश उत्सर्जक डायोड (एलईडी) या एक अलग नीले एलईडी का चयन करें। या तो मामले में, शिखर उत्सर्जन के साथ एक नीले डायोड के साथ एक एलईडी शामिल हैं -अधिकतम $ 465 एनएम.
    2. एक एलईडी का चयन करें कि जब समूहों में एकत्र और उपयोग रोबोट की सटीक शर्तों में सेट प्रयोग सेटअप में परीक्षण प्रत्येक दिशा में आवश्यक प्रकाश तीव्रता स्तर बनाए रख सकते हैं. प्रत्येक दिशा के लिए परीक्षण किया जा रहा है, यह सुनिश्चित करें कि एक रोबोट में एल ई डी में नीले डायोड सामूहिक रूप से उपयोग किए गए रोबोट बाड़े में स्थित है, जब overheating के बिना लगभग 30 lumens के एक प्रकाश तीव्रता स्तर को बनाए रखने में सक्षम हैं और किसी भी उपयोग गर्मी क्षय रणनीतियों. चयनित एलईडी लगभग 120 डिग्री के एक देखने के कोण होना चाहिए.
      नोट: उदाहरण के लिए, एक रोबोट में प्रति दिशा तीन एल ई डी का उपयोग, तीव्रता के microcontroller सक्षम विनियमन के साथ, अगर नीले डायोड अधिकतम प्रकाश तीव्रता के साथ उत्सर्जन - 15 lumens, तो overheating के बिना वे बनाए रखने में सक्षम होना चाहिए 65% अधिकतम.)
    3. रोबोट के एकल बोर्ड कंप्यूटर के लिए एल ई डी इंटरफेस, एलईडी ड्राइवरों है कि आवश्यक चमक के अनुसार बिजली की आपूर्ति को विनियमित के माध्यम से. व्यक्तिगत नियंत्रण सक्षम करें, या तो प्रत्येक एलईडी या एलईडी समूहों के प्रत्येक दिशा की सेवा सेटअप में परीक्षण किया जा रहा है.
  3. संयंत्र बढ़ती युक्तियाँ की निकटता के लिए संवेदन प्रक्रिया के लिए (चित्रा 3Bदेखें), अवरक्त निकटता से संसाधित रीडिंग का उपयोग करें (आईआर निकटता) सेंसर मज़बूती से और स्वायत्त प्रत्येक दिशा से आ पौधों की उपस्थिति का पता लगाने के लिए परीक्षण किया सेटअप में.
    1. एक आईआर निकटता सेंसर का चयन करें जो नियमित रूप से चयनित पौधे प्रजातियों की बढ़ती नोक का पता लगाता है, जब दिशा के केंद्रीय अक्ष के लिए सीधा व्यवस्थित किया जाता है, जहां से पौधे दृष्टिकोण, के रूप में एक unobstructed वातावरण में परीक्षण किया. सुनिश्चित करें कि सफल पहचान 5 सेमी की दूरी से शुरू होती है, जैसा कि क्षैतिज अक्ष पर '07.04.16' लेबल टाइमस्टैम्प से शुरू होने वाले चित्र 3A में देखा गया है।
    2. रोबोट के एकल-बोर्ड कंप्यूटर के लिए प्रत्येक IR-निकटता सेंसर को इंटरफ़ेस करें, और सेंसर रीडिंग को संसाधित करने के लिए एक भारित अंकगणितीय माध्य दृष्टिकोण को लागू करें कि क्या एक संयंत्र 5 सेमी के भीतर मौजूद है। सबसे हाल ही में सेंसर रीडिंग का उपयोग करें पांच s अंतिम औसत वजन का पता लगाने में इस्तेमाल का 20% देने के लिए.
    3. सुनिश्चित करें कि चयनित आईआर निकटता सेंसर महत्वपूर्ण तरंगदैर्ध्य है कि चयनित प्रजातियों के प्रकाश चालित व्यवहार के साथ हस्तक्षेप कर सकता उत्सर्जन नहीं करता है. सुनिश्चित करें कि 800 एनएम से नीचे सेंसर द्वारा उत्सर्जित तरंगदैर्ध्य सेंसर के IR स्रोत से 5 मिमी से अधिक दूरी पर मौजूद नहीं हैं, के रूप में स्पेक्ट्रोमीटर द्वारा मापा.
  4. रोबोट के सेट पर प्रयोग कार्यों को वितरित करें, ताकि प्रत्येक रोबोट स्वायत्त रूप से अपने स्थानीय क्षेत्र में आगे बढ़ने वाले भागों का प्रबंधन कर सके। परीक्षण किया जा रहा संबंधित संयंत्र विकास दिशाओं के अनुसार प्रकाश उत्तेजनाओं और संवेदन क्षमताओं के रोबोट के प्रावधान की व्यवस्था.
    1. वायरलेस स्थानीय क्षेत्र नेटवर्क (WLAN) सक्षम है जो किसी एकल-बोर्ड कंप्यूटर के चारों ओर प्रत्येक रोबोट लिखें। एक कस्टम मुद्रित सर्किट बोर्ड (पीसीबी) के माध्यम से सेंसर और actuators के लिए कंप्यूटर इंटरफेस. अपनी बैटरी बैकअप के साथ, व्यक्तिगत रूप से प्रत्येक रोबोट पावर।
    2. उपरोक्त आवश्यकताओं के अनुसार, पौधों के निकट आने के लिए परीक्षण किया जा रहा दिशा प्रति एक आईआर निकटता सेंसर शामिल करें।
    3. ऊपर नीले प्रकाश आवश्यकताओं को वितरित करने के लिए पर्याप्त एल ई डी शामिल करें, पौधों के लिए परीक्षण किया जा रहा दिशा प्रति।
      1. यदि नीले एल ई डी के बजाय आरजीबी एल ई डी का उपयोग कर, वैकल्पिक रूप से लाल डायोड से उत्सर्जन सक्षम जब नीले डायोड उपयोग में नहीं है, नीचे वर्णित लाल प्रकाश वितरण बढ़ाने के लिए (प्रकाश संश्लेषण के समर्थन के माध्यम से संयंत्र स्वास्थ्य के लिए).
      2. यदि कुछ अंतरालों पर रोबोट से लाल प्रकाश उत्सर्जित होता है, तो लगभग $अधिकतम 625-650 एनएम पर शिखर उत्सर्जन के साथ लाल डायोड का उपयोग करें, जिसमें हरे बैंड (यानी, 550 एनएम से नीचे) या दूर-लाल बैंड (यानी, 700 एनएम से ऊपर) कोई महत्वपूर्ण तरंगदैर्ध्य ओवरलैप नहीं होता है।
      3. लाल डायोड नीले डायोड की तुलना में अधिक गर्मी के स्तर का उत्पादन करने की अनुमति नहीं है.
    4. हार्डवेयर शामिल करें जो रोबोट के बीच स्थानीय संकेतों को सक्षम करता है. उनके प्रकाश उत्सर्जन की स्थिति पर नजर रखने के लिए एक पड़ोसी रोबोट की प्रत्येक दिशा के लिए एक photoresistor (यानी, प्रकाश पर निर्भर रोकनेवाला या LDR) शामिल करें. वैकल्पिक रूप से, WLAN के माध्यम से स्थानीय पड़ोसियों की स्थिति संवाद.
    5. चयनित नीले डायोड और उपयोग किए गए रोबोट बाड़े की शर्तों के अनुसार, गर्मी को नष्ट करने के लिए हार्डवेयर शामिल करें। एल्यूमीनियम heatsinks का एक संयोजन द्वारा निष्पादित, रोबोट के मामले बाड़े में vents, और प्रशंसकों. एकल बोर्ड कंप्यूटर या पूरक पीसीबी पर एक डिजिटल तापमान सेंसर द्वारा प्रशंसकों को सक्रिय करें.
    6. रोबोट घटकों को व्यवस्थित करें ताकि प्रासंगिक दिशाओं समान रूप से सेवा कर रहे हैं।
      1. नीले डायोड स्थिति दिशाओं में से प्रत्येक के लिए एक बराबर प्रकाश तीव्रता वितरित करने के लिए जहां से पौधों दृष्टिकोण कर सकते हैं (यानी, यांत्रिक से रोबोट के निचले आधे से जुड़े समर्थन करता है, कदम 2.5 देखें). रोबोट मामले में प्रत्येक डायोड को इस तरह से उन्मुख करें कि इसके लेंस कोण का केंद्र अक्ष यांत्रिक समर्थन के प्रत्येक अक्ष के 60 डिग्री के भीतर है, और रोबोट मामले द्वारा अवरुद्ध नहीं होने की स्थिति है।
      2. स्थिति IR निकटता सेंसर उनके संबंधित आ विकास दिशाओं के लिए बराबर (यानी, यांत्रिक से रोबोट के निचले आधे से जुड़ी समर्थन करता है, कदम 2.5 देखें). रोबोट और यांत्रिक समर्थन served किया जा रहा है के बीच लगाव बिंदु के 1 सेमी के भीतर प्रत्येक आईआर निकटता सेंसर स्थिति, और यह इस तरह है कि इसके देखने के कोण समर्थन अक्ष के समानांतर है उन्मुख. सुनिश्चित करें कि इसके उत्सर्जक और रिसीवर रोबोट मामले द्वारा अवरुद्ध नहीं कर रहे हैं।
      3. सेटअप में एक पड़ोसी रोबोट का सामना करना पड़ प्रत्येक दिशा के लिए समान रूप से स्थानीय संचार के लिए किसी भी photoresistors स्थिति (यानी, सभी यांत्रिक रोबोट से जुड़े समर्थन से, 2.5 देखें). प्रत्येक photoresistor इस तरह है कि अपने देखने के कोण के केंद्र अक्ष समर्थन अक्ष यह सेवाओं के 45 डिग्री के भीतर है, और स्थिति रोबोट मामले द्वारा अवरुद्ध नहीं किया जा करने के लिए।
    7. एकल-बोर्ड कंप्यूटर के साथ सभी घटकों को इकट्ठा करना (चित्र 2में ब्लॉक आरेख को देखें)। सुनिश्चित करें कि कंप्यूटर आसानी से विधानसभा के बाद रखरखाव के लिए पहुँचा जा सकता है.
      1. पल्स चौड़ाई मॉडुलन का उपयोग एलईडी ड्राइवरों के माध्यम से कंप्यूटर के लिए एलईडी एल ई डी इंटरफेस। एल ई डी और या तो मामले या गर्मी सिंक के बीच एक निश्चित यांत्रिक कनेक्शन का उपयोग करें, और एल ई डी और कंप्यूटर के बीच एक यंत्रवत् unconstrained कनेक्शन का उपयोग करें.
      2. एक सामान्य प्रयोजन इनपुट/आउटपुट हेडर पिन का उपयोग कररेख नियामक (यानी, स्विच) के माध्यम से कंप्यूटर के लिए इंटरफेस प्रशंसकों। Affix प्रशंसकों जहां पर्याप्त airflow उपलब्ध है, जबकि यह भी सुनिश्चित करने के लिए कोई यांत्रिक तनाव उन पर रखा गया है.
      3. सीरियल परिधीय इंटरफेस का उपयोग कर, एनालॉग-टू-डिजिटल कनवर्टर के माध्यम से आईआर निकटता सेंसर और photoresistors इंटरफेस। सेंसर से मामले के लिए एक निश्चित यांत्रिक कनेक्शन का उपयोग करें, और कंप्यूटर के लिए एक यंत्रवत् unconstrained कनेक्शन.
      4. या तो चयनात्मक लेजर sintering, स्टीरियोलिथोग्राफी, फ्यूजेड जमाव मॉडलिंग, या इंजेक्शन मोल्डिंग का उपयोग कर गर्मी प्रतिरोधी प्लास्टिक से रोबोट मामले का निर्माण।
  5. मॉड्यूलर यांत्रिक का एक सेट में रोबोट एकीकृत का समर्थन करता है कि दोहरी स्थिति में रोबोट पकड़ और पौधों के लिए पाड़ चढ़ाई के रूप में सेवा, पौधों की संभावना औसत विकास tractories सीमित. रोबोट डिजाइन समर्थन के बीच पूरक यांत्रिक जोड़ों के रूप में सेवा करने के लिए, इस तरह तैनात है कि वे संयंत्र विकास tractories काटना.
    1. रोबोट के आकार को कम करें, और यह सुनिश्चित करें कि यह मज़बूती से चयनित संयंत्र प्रजातियों के एक असमर्थित बढ़ती टिप से पार किया जा सकता है। प्रयोग की गति को बढ़ाने के लिए संभव अधिकतम हद तक रोबोट के आकार को कम करें।
    2. रोबोट शरीर की बाहरी दीवारों को आकार दें ताकि रोबोट के चारों ओर एक बढ़ती टिप वृद्धिशील रूप से संभव के रूप में पौधे के विकास के लिए विनीत हो। दो पौधों की प्रजातियों में परिणतकेण के कुंडलिनी पथ को ब्लॉक नहीं करने के लिए रोबोट शरीर को गोल या पहलू। तेज उभार और तीव्र इंडेंटेशन को छोड़ दें।
    3. यांत्रिक समर्थन के लिए एक सामग्री और प्रोफ़ाइल (यानी, पार अनुभाग के आकार) का चयन करें, इस तरह है कि चयनित संयंत्र प्रजातियों को प्रभावी ढंग से यह चढ़ाई कर सकते हैं, उदाहरण के लिए एक व्यास के परिपत्र प्रोफ़ाइल के साथ एक लकड़ी की छड़ी लगभग 8 मिमी या उससे कम. सुनिश्चित करें कि यांत्रिक समर्थन सेटअप के भीतर पौधों और रोबोट का समर्थन करने के लिए संरचनात्मक रूप से काफी कठोर हैं, सेटअप के पीछे एक पारदर्शी एक्रिलिक शीट द्वारा संवर्धित।
    4. प्रत्येक रोबोट पर निर्दिष्ट यांत्रिक समर्थन लंगर करने के लिए अनुलग्नक अंक शामिल हैं। प्रत्येक दिशा जिसके द्वारा एक संयंत्र दृष्टिकोण या एक रोबोट रवाना हो सकता है के लिए एक शामिल करें.
      1. प्रत्येक अनुलग्नक बिंदु के लिए, समर्थन सामग्री के क्रॉस-सेक्शन से मेल खाने वाले आयामों के साथ रोबोट मामले में सॉकेट शामिल करें.
      2. सॉकेट को 1 सेमी से कम गहराई के साथ सेट करें। सॉकेट को इतना उथला रखें कि समर्थन रोबोट के अंदर के घटकों से टकराता नहीं है।
    5. यांत्रिक का समर्थन करता है एक नियमित रूप से grided पैटर्न में व्यवस्था, समान रूप से 45 डिग्री या steeper पर झुकाव के कोण के साथ विकर्ण. समर्थन करता है वर्दी की लंबाई बनाओ. समर्थन की न्यूनतम उजागर लंबाई 30 सेमी है, चढ़ाई पौधों के लिए पर्याप्त कमरे उनके असमर्थित हालत में क्षेत्र की खोज के बाद संलग्न करने के लिए अनुमति देने के लिए. पसंदीदा उजागर लंबाई 40 सेमी या उससे अधिक है, संयंत्र लगाव के सांख्यिकीय चरम मामलों के लिए कुछ बफर अनुमति देने के लिए.
    6. रोबोट के साथ यांत्रिक तत्वों को इकट्ठा। निम्न प्रोटोकॉल 40 सेमी की एक उजागर समर्थन लंबाई, और चार पंक्तियों में आठ रोबोट की एक सेटअप मानता है (चित्र 6देखें)। अन्य आकारों के लिए, तदनुसार पैमाने पर.
      1. फर्श की सतह पर, एक स्टैंड 125 सेमी चौड़ा है कि एक ईमानदार स्थिति में सेटअप धारण करने में सक्षम है का निर्माण।
      2. स्टैंड के लिए पारदर्शी एक्रिलिक के एक 125 सेमी x 180 सेमी शीट (8 मिमी मोटी या अधिक) को ठीक करें, ताकि यह सीधा खड़ा हो।
      3. स्टैंड पर उपयुक्त मिट्टी के साथ स्थिति बर्तन, एक्रिलिक शीट के खिलाफ.
      4. एक्रिलिक शीट के लिए दो यांत्रिक y-संयुक्त, बर्तन के ऊपर 10 सेमी affix. स्टैंड के बाएँ किनारे के जोड़ों को क्रमशः दाईं ओर 45 बउ और 165 बउ की स्थिति में रखना।
      5. Affix दो बाएँ y-संयुक्त करने के लिए समर्थन करता है, बाईं ओर और सही करने के लिए 45 डिग्री झुकाव, और सही y-संयुक्त करने के लिए एक समर्थन प्रत्यय, बाईं ओर 45 डिग्री झुकाव.
      6. एक्रिलिक शीट के लिए दो रोबोट ों को affix, और रोबोट मामलों में सॉकेट में पहले से रखा समर्थन करता है के सिरों को सम्मिलित करें। रोबोट को वाई-जोड़ों के ऊपर 35 सेमी, और स्टैंड के बाएं किनारे के क्रमशः दाईं ओर 10 सेमी और 80 सेमी की स्थिति में रखा जाए।
      7. तिरछे grided पैटर्न में शेष रोबोट और समर्थन चिपका करने के लिए पैटर्न दोहराएँ (चित्र 6देखें), इस तरह है कि रोबोट की प्रत्येक पंक्ति पिछले पंक्ति से ऊपर 35 सेमी है, और प्रत्येक रोबोट क्षैतिज रोबोट या वाई संयुक्त है कि ऊपर सीधे तैनात है यह नीचे दो पंक्तियों.

3. रोबोट सॉफ्टवेयर

  1. रोबोट के एकल बोर्ड कंप्यूटर पर एक ऑपरेटिंग सिस्टम (जैसे, Raspbian) स्थापित करें।
  2. प्रत्येक प्रयोग के दौरान, समानांतर में प्रत्येक रोबोट पर सॉफ्टवेयर प्रोटोकॉल चलानेके लिए, उनके वितरित स्वायत्त व्यवहार को सक्षम करने (Wahby एट अल 14 देखें, छद्म कोड और अधिक विवरण के लिए).
  3. रोबोट के लिए दो संभव राज्यों की स्थापना: एक उत्तेजना राज्य है जिसके दौरान रोबोट ऊपर वर्णित तीव्रता पर नीले प्रकाश का उत्सर्जन किया जा रहा है; दूसरा निष्क्रिय अवस्था है जिसके दौरान रोबोट या तो कोई प्रकाश उत्सर्जित करता है या ऊपर वर्णित लाल प्रकाश का उत्सर्जन करता है।
    1. उत्तेजना राज्य में, नीले एल ई डी ड्राइवरों के लिए आवश्यक चमक के लिए इसी आवृत्ति के साथ एकल बोर्ड कंप्यूटर के माध्यम से एक पल्स चौड़ाई मॉडुलन (PWM) संकेत भेजें.
    2. निष्क्रिय स्थिति में, कोई एल ई डी ट्रिगर, या यदि आवश्यक केवल लाल एल ई डी ड्राइवरों के लिए एक PWM संकेत भेजें.
  4. नियंत्रण प्रयोगों में, सभी रोबोट निष्क्रिय राज्य आवंटित.
  5. एकल निर्णय प्रयोगों में, एक रोबोट निष्क्रिय राज्य और एक रोबोट उत्तेजना राज्य असाइन करें.
  6. एकाधिक निर्णय प्रयोगों में, प्रारंभीकरण प्रक्रिया, निम्नानुसार प्रारंभ करें।
    1. प्रत्येक रोबोट को वर्तमान प्रयोग में परीक्षण किए जाने वाले पौधे के विकास के पैटर्न का एक पूर्ण विन्यास मानचित्र प्रदान करना।
    2. पैटर्न के भीतर रोबोट के स्थान सेट, या तो स्वचालित रूप से स्थानीयकरण सेंसर का उपयोग कर या मैन्युअल.
    3. प्रदान किए गए मानचित्र से रोबोट के स्थान की तुलना करें. यदि रोबोट का स्थान मानचित्र पर पहला स्थान है, तो रोबोट को उत्तेजनाके लिए सेट करें; अन्यथा, निष्क्रियकरने के लिए रोबोट सेट . प्रारंभिक प्रक्रिया समाप्त होता है।
  7. बहु-निर्णय प्रयोगों में, संचालन प्रक्रिया निम्नानुसार प्रारंभ करें. पुनरावर्ती रूप से निष्पादित करें।
    1. एक संयंत्र का पता चला है देखने के लिए रोबोट के आईआर निकटता सेंसर पढ़ने की जाँच करें।
    2. यदि एक संयंत्र का पता चला है और रोबोट निष्क्रियकरने के लिए सेट है, तो बनाए रखने.
    3. यदि एक संयंत्र का पता चला है और रोबोट उत्तेजनाके लिए सेट है, तो:
      1. आसन्न पड़ोसी रोबोट को सूचित करें कि एक संयंत्र का पता लगाया गया है, और संदेश में रोबोट के स्थान को शामिल करें।
      2. निष्क्रियकरने के लिए रोबोट सेट करें।
      3. नक्शे के लिए रोबोट के स्थान की तुलना करें। यदि रोबोट नक्शे पर अंतिम स्थान पर है, तो WLAN पर एक संकेत है कि प्रयोग पूरा हो गया है भेजें.
    4. अपने आसन्न पड़ोसी रोबोट से रोबोट की आने वाली संदेशों की जाँच करें देखने के लिए अगर उनमें से एक है कि उत्तेजना के लिए सेट किया गया था एक संयंत्र का पता चला है.
    5. यदि एक उत्तेजना पड़ोसी एक संयंत्र का पता चला है, रोबोट के स्थान के लिए है कि पड़ोसी के स्थान की तुलना करें, और यह भी नक्शे की तुलना करें.
    6. यदि रोबोट मानचित्र पर बाद के स्थान पर है, तो रोबोट को उत्तेजनाके लिए सेट करें।
    7. एक बार संकेत प्राप्त हो जाने के बाद कि प्रयोग पूरा हो गया है, संचालन प्रक्रिया के पुनरावर्ती लूप को समाप्त करें।

4. संयंत्र स्वास्थ्य निगरानी और रखरखाव प्रक्रिया

  1. नियंत्रित पर्यावरणीय स्थितियों में प्रयोग सेटअप का पता लगाएँ-विशेष रूप से, कोई घटना दिन के उजाले या अन्य प्रकाश नीचे वर्णित शर्तों के लिए बाहरी के साथ इनडोर, नियंत्रित हवा के तापमान और आर्द्रता के साथ, और नियंत्रित मिट्टी के पानी के साथ. WLAN सक्षम किया गया है जो एक microcontroller या एकल-बोर्ड कंप्यूटर से कनेक्ट सेंसर के साथ शर्तों की निगरानी करें।
  2. रोबोट के लिए बाहरी एलईडी विकास लैंप का उपयोग कर संयंत्र प्रकाश संश्लेषण बनाए रखें और प्रयोग सेटअप का सामना करना पड़।
    1. सेटअप करने के लिए एकवर्णी लाल बत्ती देने के लिए विकास लैंप का उपयोग करें, लाल डायोड के साथ लगभग $अधिकतम $ 625-650 एनएम पर शिखर उत्सर्जन होने, सीमा के बाहर कोई महत्वपूर्ण तरंगदैर्ध्य के साथ 550-700 एनएम, परिवेश नीले प्रकाश की एक कम घटना को छोड़कर अगर चयनित प्रजातियों के स्वास्थ्य के लिए उपयोगी. यदि परिवेश नीले प्रकाश की एक कम घटना शामिल है, एक रोबोट द्वारा उत्सर्जित उन लोगों का एक बहुत ही मामूली अंश पर स्तर तक सीमित.
    2. चयनित प्रजातियों के स्वास्थ्य के लिए आवश्यक लाल बत्ती के स्तर प्रदान करें, आमतौर पर मोटे तौर पर 2000 lumens या कुल में अधिक.
    3. प्रयोग सेटअप का सामना करने के लिए विकास लैंप को उन्मुख करें, ताकि उनका उत्सर्जन विकास क्षेत्र पर मोटे तौर पर समान रूप से वितरित किया जा सके।
    4. एक आरजीबी रंग सेंसर का उपयोग परिवेश प्रकाश शर्तों की निगरानी.
  3. germinating के बाद, प्रत्येक संयंत्र प्रयोग सेटअप के आधार पर अपने स्वयं के बर्तन प्रदान करते हैं. चयनित प्रजातियों के लिए उपयुक्त मिट्टी की मात्रा और प्रकार प्रदान करें। सुनिश्चित करें कि अंकुरण से पहले मिट्टी और बीजों की सफाई की गई है। यदि मौजूद हैं तो कीटों को रोकने या प्रबंधित करने के लिए उपयुक्त कीट नियंत्रण विधियों का उपयोग करें।
  4. हवा के तापमान और आर्द्रता के स्तर को विनियमित, तदनुसार चयनित प्रजातियों के लिए, heaters, एयर कंडीशनर, humidifiers, और dehumidifiers का उपयोग कर. एक तापमान दबाव आर्द्रता सेंसर का उपयोग कर स्तर की निगरानी।
  5. मिट्टी नमी सेंसर का उपयोग कर मिट्टी की निगरानी करें। चयनित प्रजातियों के लिए पानी की एक उचित दर बनाए रखें। एक स्वचालित पानी प्रणाली का उपयोग कर निष्पादित जहां पानी के रूप में मिट्टी नमी सेंसर रीडिंग, या पानी मिट्टी मैन्युअल रूप से ट्रिगर द्वारा शुरू नलिका के माध्यम से मिट्टी को दिया जाता है, के रूप में सेंसर रीडिंग द्वारा विनियमित.

5. प्रयोग डिजाइन

  1. एक ग्रिड में रोबोट और मैकेनिकल का समर्थन करता है जो प्रयोग में परीक्षण किए जा रहे विकास क्षेत्र और पैटर्न को कवर करने के लिए पर्याप्त रूप से बड़ा होता है, एक पंक्ति और रोबोट के दो स्तंभों से छोटा नहीं।
  2. रोबोट के नीचे पंक्ति के नीचे, सेटअप भर में उन मिलान, मानक विकर्ण यांत्रिक का समर्थन करता है की एक पंक्ति जगह है. जहां इन के निचले सिरों को एक दूसरे को काटना समर्थन करता है, उन्हें एक 'y-संयुक्त के साथ यंत्रवत् में शामिल हो. सेटअप के आधार पर प्रत्येक 'y-संयुक्त' के लिए, ऊपर वर्णित संयंत्र स्वास्थ्य रखरखाव की स्थिति के साथ, विकर्ण ग्रिड सेल के आकार के अनुसार पौधों की एक समान संख्या (लगभग एक संयंत्र उजागर यांत्रिक समर्थन लंबाई के 10 सेमी) के अनुसार संयंत्र।
  3. चलाने के लिए एक प्रयोग प्रकार चुनें और जहां प्रासंगिक रोबोट की मात्रा और वितरण का चयन करें.
    1. प्रयोग प्रकार 1: नियंत्रण
      नोट: यह प्रयोग प्रकार प्रकाश उत्तेजनाओं के अनुपस्थित स्थितियों में चढ़ाई पौधों के विकास का परीक्षण phototropism को गति प्रदान करने के लिए. यह सेटअप के किसी भी आकार और आकार पर चला सकते हैं.
      1. सभी रोबोट निष्क्रिय राज्य असाइन करें (चरण 3.4 देखें) और लगातार चलाने के लिए जब तक परिणाम मैन्युअल रूप से पूरा होने के लिए मूल्यांकन कर रहे हैं.
      2. निरीक्षण करें कि क्या पौधे यांत्रिक सहायता से संलग्न होते हैं। एक सफल प्रयोग में, पौधों में से कोई भी मिल जाएगा या यांत्रिक समर्थन करने के लिए देते हैं.
    2. प्रयोग प्रकार 2: एकल निर्णय
      नोट: यह प्रयोग प्रकार पौधों के विकास tractories परीक्षण जब द्विआधारी विकल्प के साथ प्रस्तुत एक समर्थन एक निष्क्रिय रोबोट के लिए अग्रणी और एक प्रोत्साहन रोबोट के लिए अग्रणी समर्थन. यह केवल न्यूनतम सेटअप (यानी, एक पंक्ति, दो स्तंभ) पर चलता है.
      1. एक रोबोट निष्क्रिय राज्य असाइन करें (देखें 3.5) और एक रोबोट उत्तेजना राज्य. दो रोबोटों में से एक आईआर निकटता सेंसर के साथ एक संयंत्र का पता लगाताहै चलाएँ जब तक.
      2. यांत्रिक समर्थन करने के लिए संयंत्र लगाव का निरीक्षण करें, समर्थन के साथ विकास, और उत्तेजना रोबोट के सेंसर रीडिंग. एक सफल प्रयोग में, उत्तेजना राज्य के साथ रोबोट एक संयंत्र का पता लगाने के बाद यह संबंधित समर्थन के साथ हो गया था.
    3. प्रयोग प्रकार 3: एकाधिक निर्णय
      नोट: यह प्रयोग प्रकार पौधों की वृद्धि का परीक्षण करता है जब कई बाद उत्तेजनाओं की स्थिति के साथ प्रस्तुत किया जाता है, जो पूर्वनिर्धारित वैश्विक मानचित्र के अनुसार निर्णयों की एक श्रृंखला को ट्रिगर करता है। यह किसी भी आकार और सेटअप के आकार पर चला सकते हैं जो पंक्तियों की न्यूनतम संख्या से अधिक है (यानी, दो या अधिक).
      1. रोबोट को विकसित किए जाने वाले पैटर्न का एक वैश्विक मानचित्र प्रदान करें (चरण 3.6-3.7.7 देखें).।
      2. यांत्रिक समर्थन के साथ संयंत्र लगाव की घटनाओं और विकास के पैटर्न का निरीक्षण करें।
        1. एक सफल प्रयोग में, कम से कम एक संयंत्र वैश्विक नक्शे में मौजूद प्रत्येक समर्थन पर हो गया होगा.
        2. इसके अतिरिक्त, एक सफल प्रयोग में कोई संयंत्र गलत दिशा चुना है जब इसकी बढ़ती टिप वर्तमान में सक्रिय निर्णय बिंदु पर स्थित है.
        3. बाहरी बढ़ती युक्तियाँ यहाँ विचार न करें, उदाहरण के लिए एक शाखा घटना नक्शे पर एक अप्रचलित स्थान पर एक नई बढ़ती टिप देता है.

6. रिकॉर्डिंग प्रक्रिया

  1. सेंसर और कैमरों से डेटा स्टोर शुरू में एकल बोर्ड कंप्यूटर पर जहां डेटा जहाज पर उत्पन्न किया गया है. जहाज पर चलाएँ उत्तर सर्वर जो आवश्यक अनुरोधों का प्रतिसाद देते हैं, जैसे कि अंतिम संग्रहीत सेंसर पठन. नियमित अंतराल पर एक स्थानीय नेटवर्क संलग्न भंडारण (NAS) डिवाइस के लिए WLAN पर डेटा और लॉग फाइल अपलोड करें।
  2. पूर्ण प्रयोग सेटअप को शामिल कम से कम एक कैमरा दृश्य के साथ, लगातार दो या दो से अधिक सुविधाजनक बिंदुओं पर तैनात कैमरों का उपयोग कर प्रयोगों के समय चूक वीडियो पर कब्जा। सुनिश्चित करें कि कब्जा कर लिया छवियों पर्याप्त रूप से संयंत्र बढ़ रही युक्तियाँ के आंदोलनों पर कब्जा करने के लिए उच्च पर्याप्त संकल्प के हैं, आम तौर पर चौड़ाई में केवल कुछ मिलीमीटर.
    1. कैप्चर के बीच संगत समय अंतराल सुनिश्चित करने के लिए छवि कैप्चर प्रक्रिया को स्वचालित करें, किसी एकल-बोर्ड कंप्यूटर पर एक ऑनबोर्ड कैमरा या एक अंतरालमापी के साथ स्वचालित स्टैंड-अलोन डिजिटल कैमरा का उपयोग करके. चमक के रूप में कार्य करने के लिए लैंप स्थापित करें, कैमरों के लिए इसी तरह स्वचालित. सुनिश्चित करें कि चमक नाटकीय रूप से बाद रंग सुधार के लिए छवियों प्रसंस्करण के बिना विकास लैंप के लाल प्रकाश के साथ प्रतिस्पर्धा करने के लिए काफी उज्ज्वल हैं।
    2. चमक ऐसी है कि प्रयोग सेटअप पूरी तरह से प्रकाशित किया जा सकता है और इसलिए छवियों में स्पष्ट रूप से दिखाई का पता लगाएँ. कैमरों और चमक इस तरह है कि सभी कैमरों छवियों को एक साथ कब्जा सिंक्रनाइज़, एक 2 s फ्लैश अवधि के दौरान. प्रत्येक प्रयोग की अवधि के लिए, हर 2 मिनट में छवियों पर कब्जा.
  3. पर्यावरण सेंसर डेटा लॉग इन करें, विशेष रूप से तापमान से रीडिंग दबाव नमी सेंसर, आरजीबी रंग सेंसर, और मिट्टी नमी सेंसर. सेटअप में सभी रोबोट से डेटा लॉग इन करें, विशेष रूप से आईआर निकटता सेंसर और photoresistor रीडिंग, साथ ही रोबोट की आंतरिक स्थिति है जो अपने एलईडी उत्सर्जन स्थिति को परिभाषित करता है.
  4. नियमित रीयल-टाइम रिपोर्ट के माध्यम से प्रयोगों की दूरस्थ निगरानी के लिए सभी रिकॉर्ड किए गए डेटा को उपलब्ध कराएं, ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि कई महीनों तक पूर्ण प्रयोग अवधि के लिए सही स्थितियां बनाए रखी जाती हैं.

Representative Results

नियंत्रण: रोबोट Stimuli बिना संयंत्र व्यवहार.
नीली रोशनी की कमी के कारण (यानी, सभी रोबोट निष्क्रियहैं ), पौधे में सकारात्मक प्रकाश-प्रवर्तन शुरू नहीं होता है। इसलिए, पौधे अनियमितता का पालन करते हुए अनियंत्रित ऊपर की ओर वृद्धि दिखाते हैं। वे विशिष्ट परिपर्यांशन भी प्रदर्शित करते हैं (अर्थात, घुमावदार), चित्र 4कदेखें। जैसा कि उम्मीद थी, पौधों को निष्क्रिय रोबोट के लिए अग्रणी यांत्रिक समर्थन खोजने में विफल. पौधों पतन जब वे अब अपने स्वयं के वजन का समर्थन कर सकते हैं. हम प्रयोगों को रोक जब कम से कम दो पौधों के पतन, चित्र 4B, सीदेखें.

एकल या एकाधिक निर्णय: रोबोट Stimuli के साथ संयंत्र व्यवहार
चार एकल निर्णय प्रयोगों में, दो रन बाईं ओर स्टीयरिंग है (यानी, विभाजन के छोड़ दिया रोबोट उत्तेजनाके लिए सक्रिय है), और दो रन दाईं ओर स्टीयरिंग है. प्रोत्साहन रोबोट सफलतापूर्वक सही समर्थन की ओर पौधों को चलाने, चित्र 5देखें. स्टेम कोण के साथ निकटतम संयंत्र सबसे सही समर्थन के समान पहले देता है. प्रत्येक प्रयोग में, कम से कम एक पौधा सहायता से जोड़ता है और तब तक उस पर चढ़ जाता है जब तक कि वह उद्दीपक रोबोट तक नहीं पहुंच जाता और इस तरह प्रयोग समाप्त नहीं हो जाता। एक प्रयोग में, एक दूसरा संयंत्र सही समर्थन करने के लिए देता है. शेष पौधे लंबे समय तक प्रयोग अवधि में भी संलग्न हो सकते हैं। कोई भी पौधा गलत समर्थन से नहीं जोड़ता है। प्रत्येक प्रयोग औसत न करके 13 दिनों तक लगातार चलता है.

दो बहु-निर्णय प्रयोगों में, पौधे पूर्वनिर्धारित वक्र पैटर्न में विकसित होते हैं, चित्र 6कदेखें। प्रत्येक प्रयोग लगभग सात सप्ताह के लिए चलाता है. जैसे-जैसे एक प्रयोग शुरू होता है, एक रोबोट अपनी स्थिति को उद्दीपकों पर सेट करता है (देखें 3.6.3) और पौधों को निर्धारित पैटर्न के अनुसार सही सहायता की ओर ले जाता है। एक संयंत्र देता है और यह चढ़ता है, सक्रिय उत्तेजना रोबोट पर आ इसलिए पहला निर्णय पूरा. 3.7.3 के अनुसार, वर्तमान उत्तेजना रोबोट तो निष्क्रिय हो जाता है और उसके आसन्न पड़ोसियों को सूचित करता है. निष्क्रिय पड़ोसी है कि वक्र पैटर्न पर अगले है ही उत्तेजना के लिए स्विच ( 3.7.6 देखें). यदि एक संयंत्र एक निष्क्रिय रोबोट द्वारा पता चला है, कि रोबोट प्रतिक्रिया नहीं करता है ( 3.7.2 देखें). पौधे जारी रखते हैं और शेष तीन निर्णयों को सफलतापूर्वक पूरा करते हैं। पूर्वनिर्धारित वक्र पैटर्न इसलिए पूरी तरह से विकसित हो जाता है, चित्र 6Bदेखें।

सभी प्रयोग डेटा, साथ ही वीडियो, ऑनलाइन24उपलब्ध हैं।

Figure 1
चित्र 1. स्थिर रोबोट और उसके प्राथमिक घटकों. चित्र लेखक प्रकाशन Wahby एटअल से reprinted 14 , क्रिएटिव कॉमन्स लाइसेंस CC-BY 4.0 के साथ प्रयोग किया जाता है (पूरक फ़ाइलें देखें), लाइसेंस द्वारा अनुमति के रूप में संशोधनों के साथ. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
चित्र 2. स्थिर रोबोट इलेक्ट्रॉनिक्स के घटक आरेख. IRLML2060 एलईडी ड्राइवरों एल ई डी की चमक को नियंत्रित करने के लिए PWM के माध्यम से रोबोट के एकल बोर्ड कंप्यूटर (उदा. रास्पबेरी Pi) के साथ interfaced रहे हैं. एक LP5907 स्विच सामान्य प्रयोजन इनपुट के माध्यम से एकल बोर्ड कंप्यूटर के साथ interfaced है / एक MCP3008 एनालॉग-से-डिजिटल कनवर्टर (ADC) सीरियल पेरिफेरल इंटरफ़ेस (SPI) एनालॉग IR और प्रकाश-निर्भर रोकनेवाला (LDR) सेंसर डेटा को पढ़ने के लिए के माध्यम से एकल-बोर्ड कंप्यूटर के साथ interfaced है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 3
चित्र 3. कुछ ही समय बाद '03.04.16,' एक संयंत्र टिप एक समर्थन चढ़ता है और रोबोट के दृश्य के क्षेत्र में आता है. (ए) एक प्रयोग के दौरान नमूना आईआर निकटता सेंसर स्केल वोल्टेज रीडिंग (विपरीत अक्ष)। उच्च मूल्यों संयंत्र टिप का पता लगाने का संकेत मिलता है. (बी) आईआर निकटता सेंसर रखा गया है और समर्थन लगाव के अनुसार उन्मुख, प्रभावी संयंत्र टिप का पता लगाने सुनिश्चित करने के लिए. चित्र लेखक प्रकाशन Wahby एटअल से reprinted 14 , क्रिएटिव कॉमन्स लाइसेंस CC-BY 4.0 के साथ प्रयोग किया जाता है (पूरक फ़ाइलें देखें), लाइसेंस द्वारा अनुमति के रूप में संशोधनों के साथ. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 4
चित्र 4. नियंत्रण प्रयोगों परिणाम फ्रेम दिखा रहा है कि सभी चार पौधों नीले प्रकाश के अभाव में किसी भी समर्थन करने के लिए संलग्न नहीं किया. () पांच दिनों के बाद, सभी पौधे नियंत्रण प्रयोगों में से एक में ऊपर की ओर बढ़ रहे हैं (देखें (सी) बाद में वृद्धि की स्थिति के लिए ) . (ख) 15 दिनों के बाद, तीन पौधे गिर गए और एक अभी भी पहले नियंत्रण प्रयोग में ऊपर की ओर बढ़ रहा है। () सात दिनों के बाद, दो पौधे गिर गए और दो अभी भी दूसरे नियंत्रण प्रयोग में ऊपर की ओर बढ़ रहे हैं (देखें () पिछली वृद्धि की स्थिति के लिए ) . चित्र लेखक प्रकाशन Wahby एटअल से reprinted 14 , क्रिएटिव कॉमन्स लाइसेंस CC-BY 4.0 के साथ प्रयोग किया जाता है (पूरक फ़ाइलें देखें), लाइसेंस द्वारा अनुमति के रूप में संशोधनों के साथ. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 5
चित्र 5. एकल निर्णय प्रयोगों परिणाम फ्रेम एक उत्तेजना रोबोट की क्षमता दिखा एक द्विआधारी निर्णय के माध्यम से पौधों को चलाने के लिए, सही समर्थन पर चढ़ने के लिए. सभी चार प्रयोगों में, एक रोबोट उत्तेजना के लिए सेट किया गया है और निष्क्रिय करने के लिए अन्य - एक जंक्शन के दो विपरीत पक्षों पर. फ्रेम प्रोत्साहन रोबोट उन्हें पता लगाता है से पहले पौधों के स्थान को दिखाने के लिए। प्रत्येक प्रयोग में कम से कम एक संयंत्र सही समर्थन करने के लिए देता है, और कोई संयंत्र गलत एक करने के लिए देता है। इसके अलावा, असमर्थित पौधे वृद्धि को प्रोत्साहन रोबोट के प्रति पक्षपाती दिखाते हैं। म्, च,जी, क्रमशः ए, ठ, ब्, के closeups हैं। चित्र लेखक प्रकाशन Wahby एटअल से reprinted 14 , क्रिएटिव कॉमन्स लाइसेंस CC-BY 4.0 के साथ प्रयोग किया जाता है (पूरक फ़ाइलें देखें), लाइसेंस द्वारा अनुमति के रूप में संशोधनों के साथ. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 6
चित्र 6. एकाधिक निर्णय प्रयोग. ((क)लक्षित वक्र पैटर्न को मानचित्र पर हरे रंग में हाइलाइट किया गया है। (ख) प्रयोग से अंतिम फ्रेम (40 दिनों के बाद), पैटर्न पर अंतिम उत्तेजना रोबोट से पहले पौधों की स्थिति को दर्शाता है, उन्हें पता लगाता है। रोबोट सफलतापूर्वक वक्र पैटर्न हो जाना। चित्र लेखक प्रकाशन Wahby एटअल से reprinted 14 , क्रिएटिव कॉमन्स लाइसेंस CC-BY 4.0 के साथ प्रयोग किया जाता है (पूरक फ़ाइलें देखें), लाइसेंस द्वारा अनुमति के रूप में संशोधनों के साथ. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Discussion

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.

Disclosures

लेखक घोषणा करते हैं कि उनका कोई प्रतिस्पर्धी वित्तीय हित नहीं है।

Acknowledgments

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.

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

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References

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