Fourniture de détection robotique et de stimuli pour la croissance guidée des plantes

Engineering
 

Summary

Les nœuds robotisés distribués fournissent des séquences de stimuli de lumière bleue pour orienter les trajectoires de croissance des plantes grimpantes. En activant le phototropisme naturel, les robots guident les plantes à travers des décisions binaires gauche-droite, les faisant passer en modèles prédéfinis qui, en revanche, ne sont pas possibles lorsque les robots sont dormants.

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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

Les systèmes de robots sont activement recherchés pour la manipulation des plantes naturelles, généralement limitées aux activités d'automatisation agricole telles que la récolte, l'irrigation et la lutte mécanique contre les mauvaises herbes. En prolongeant cette recherche, nous introduisons ici une nouvelle méthodologie pour manipuler la croissance directionnelle des plantes via leurs mécanismes naturels de signalisation et de distribution d'hormones. Une méthodologie efficace de la fourniture de stimuli robotiques peut ouvrir la possibilité de nouvelles expérimentations avec des phases de développement ultérieures dans les plantes, ou pour de nouvelles applications biotechnologiques telles que la mise en forme des plantes pour les murs verts. L'interaction avec les plantes présente plusieurs défis robotiques, y compris la détection à courte portée des organes végétaux de petite et variable, et l'actionnement contrôlé des réponses des plantes qui sont impactées par l'environnement en plus des stimuli fournis. Afin d'orienter la croissance des plantes, nous développons un groupe de robots immobiles avec des capteurs pour détecter la proximité des pointes de croissance, et avec des diodes pour fournir des stimuli lumineux qui actionnent le phototropisme. Les robots sont testés avec le harimon commun d'escalade, Phaseolus vulgaris, dans des expériences ayant des durées allant jusqu'à cinq semaines dans un environnement contrôlé. Avec des robots émettant séquentiellement l'émission bleue de lumière-pic à la longueur d'onde 465 nm-croissance de l'usine est orientée avec succès par des décisions binaires successives le long des supports mécaniques pour atteindre les positions cibles. Les modèles de croissance sont testés dans une configuration allant jusqu'à 180 cm de hauteur, avec des tiges végétales cultivées jusqu'à environ 250 cm de longueur cumulative sur une période d'environ sept semaines. Les robots se coordonnent et fonctionnent de manière totalement autonome. Ils détectent les pointes des plantes qui approchent par des capteurs de proximité infrarouge et communiquent par radio pour passer d'un stimulus à la lumière bleue à l'état dormant, au besoin. Dans l'ensemble, les résultats obtenus confirment l'efficacité de la combinaison de méthodologies d'expérimentations robotisées et végétales, pour l'étude d'interactions potentiellement complexes entre les systèmes autonomes naturels et artificiels.

Introduction

Parallèlement à la prévalence croissante de l'automatisation dans la fabrication et la production, les robots sont utilisés pour semer, traiter et récolter des plantes1,2,3,4,5. Nous utilisons la technologie robotisée pour automatiser les expériences végétales d'une manière non invasive, dans le but de diriger la croissance par des réponses directionnelles aux stimuli. Les pratiques traditionnelles de jardinage ont inclus la mise en forme manuelle des arbres et des buissons par la retenue mécanique et la coupe. Nous présentons une méthodologie qui peut par exemple être appliquée à cette tâche de mise en forme, en orientant les modèles de croissance avec des stimuli. Notre méthodologie présentée est également une étape vers des expériences végétales automatisées, ici avec un accent spécifique sur la fourniture de stimuli légers. Une fois que la technologie est devenue robuste et fiable, cette approche a le potentiel de réduire les coûts dans les expériences végétales et de permettre de nouvelles expériences automatisées qui seraient autrement impossibles en raison des frais généraux dans le temps et le travail manuel. Les éléments robotiques sont librement programmables et agissent de façon autonome car ils sont équipés de capteurs, d'actionneurs pour la fourniture de stimuli et de microprocesseurs. Bien que nous nous concentrions ici sur la détection de proximité (c.-à-d. la mesure des distances à courte portée) et les stimuli lumineux, de nombreuses autres options sont réalisables. Par exemple, des capteurs peuvent être utilisés pour analyser la couleur des plantes, pour surveiller l'activité biochimique6, ou pour la phytodétection7 approches pour surveiller par exemple les conditions environnementales par l'électrophysiologie végétale8. De même, les options d'actionneur pourraient fournir d'autres types de stimuli9, par des moteurs de vibration, des dispositifs de pulvérisation, des appareils de chauffage, des ventilateurs, des dispositifs d'ombrage, ou des manipulateurs pour le contact physique dirigé. D'autres stratégies d'actionnement pourraient être mises en œuvre pour fournir une mobilité lente aux robots (c.-à-d. « robots lents »10),de sorte qu'ils pourraient progressivement changer la position et la direction à partir desquelles ils fournissent des stimuli. En outre, comme les robots sont équipés d'ordinateurs à une seule planche, ils pourraient exécuter des processus plus sophistiqués tels que la vision pour le phénotypage des plantes11 ou artificielles contrôleurs réseau neuronal pour l'actionnement des stimuli12. Comme la recherche en sciences végétales se concentre souvent sur la croissance précoce (c.-à-d. dans les pousses)13, l'ensemble du domaine de l'utilisation de systèmes robotisés autonomes pour influencer les plantes sur de plus longues périodes semble sous-exploré et peut offrir de nombreuses possibilités futures. Allant même plus loin, les éléments robotiques peuvent être considérés comme des objets de recherche eux-mêmes, permettant l'étude de la dynamique complexe des systèmes bio-hybrides formés par les robots et les plantes qui interagissent étroitement. Les robots imposent sélectivement des stimuli sur les plantes, les plantes réagissent en fonction de leur comportement adaptatif et modifient leur modèle de croissance, qui est ensuite détecté par les robots via leurs capteurs. Notre approche ferme la boucle de rétroaction comportementale entre les plantes et les robots et crée une boucle de contrôle homéostatique.

Dans nos expériences pour tester la fonction du système robotisé, nous utilisons exclusivement le harimon commun d'escalade, Phaseolus vulgaris. Dans cette configuration, nous utilisons des plantes grimpantes, avec des supports mécaniques dans un échafaudage quadrillé de hauteur globale de 180 cm, de sorte que les plantes sont influencées par le thigmotropisme et ont un ensemble limité de directions de croissance à choisir. Étant donné que nous voulons façonner l'ensemble de la plante sur une période de plusieurs semaines, nous utilisons des stimuli de lumière bleue pour influencer le phototropisme de la plante macroscopiquement, sur différentes périodes de croissance, y compris les jeunes pousses et le raidissement des tiges plus tard. Nous menons les expériences dans des conditions de lumière ambiante entièrement contrôlées où, à l'autre que les stimuli de lumière bleue, nous fournissons exclusivement la lumière rouge, avec une émission maximale à longueur d'onde de 650 nm. Quand ils atteignent une bifurcation dans la grille de support mécanique, ils prennent une décision binaire de croître à gauche ou à droite. Les robots sont positionnés à ces bifurcations mécaniques, séparées par des distances de 40 cm. Ils activent et désactivent de façon autonome leur émetteur de lumière bleue, avec une émission maximale à longueur d'onde de 465 nm, selon une carte prédéfinie du modèle de croissance souhaité (dans ce cas, un modèle en zigzag). De cette façon, les plantes sont guidées de la bifurcation à la bifurcation dans une séquence définie. Un seul robot est activé à un moment donné, au cours duquel il émet de la lumière bleue tout en surveillant de façon autonome la croissance de la plante sur le support mécanique qui le sous-il. Une fois qu'il détecte une pointe croissante à l'aide de ses capteurs de proximité infrarouge, il cesse d'émettre de la lumière bleue et communique à ses robots voisins par radio. Le robot qui se définit comme la prochaine cible de la séquence s'active ensuite, attirant la croissance des plantes vers une nouvelle bifurcation mécanique.

Comme notre approche intègre à la fois des mécanismes artificiels et naturels, nos expériences comprennent plusieurs méthodes qui fonctionnent simultanément et interdépendantement. Le protocole ici est d'abord organisé en fonction du type de méthode, dont chacun doit être intégré dans une configuration d'expérience unifiée. Ces types sont la sélection des espèces végétales; la conception de robot comprenant le matériel et la mécanique ; robot logiciel pour la communication et le contrôle; et la surveillance et le maintien de la santé des plantes. Le protocole procède ensuite à la conception de l'expérience, suivie de la collecte et de l'enregistrement des données. Pour plus de détails sur les résultats obtenus jusqu'à présent, voir Wahby et coll.14. Les résultats représentatifs couvrent trois types d'expériences : les expériences de contrôle où tous les robots ne fournissent pas de stimuli (c.-à-d. sont dormants); expériences à décision unique où la plante fait un choix binaire entre un robot fournissant des stimuli et un robot qui est dormant; et des expériences à décisions multiples où la plante navigue dans une séquence de choix binaires pour développer un modèle prédéfini.

Protocol

1. Procédure de sélection des espèces végétales

REMARQUE : Ce protocole se concentre sur les comportements des plantes liés à l'escalade, les réponses directionnelles à la lumière, ainsi que sur la santé et la survie des plantes dans la saison, l'emplacement et les conditions expérimentales spécifiques.

  1. Sélectionnez une espèce végétale connue pour afficher un fort phototropisme positif15,16 vers UV-A et la lumière bleue (340-500 nm) dans les conseils de croissance.
  2. Sélectionnez une espèce qui est un enrouleur, dans lequel le comportement de circumnutation17 est prononcé et la pointe de croissance a des trajectoires hélicoïdales avec une amplitude assez grande pour enrouler autour des supports mécaniques utilisés dans les conditions expérimentales spécifiques. Le doublement18 comportement exposé par le ventchoisi doit tolérer l'environnement et les conditions nutritives présentes dans l'expérience et doit tolérer les supports mécaniques avec un angle d'inclinaison jusqu'à 45 degrés.
  3. Sélectionnez une espèce qui se développera de façon fiable et rapide dans des conditions expérimentales, avec une vitesse de croissance moyenne d'au moins 5 cm par jour, et de préférence plus rapide si possible.
  4. Sélectionnez une espèce qui affichera les comportements requis dans la présente saison et l'emplacement géographique.
  5. Assurez-vous que l'espèce tolère l'éventail des paramètres environnementaux qui seront présents dans la configuration expérimentale. La plante doit tolérer l'absence de feu vert et l'absence de lumière en dehors du spectre visible (400 à 700 nm). La plante doit également tolérer toute fluctuation actuelle de la température, maintenue à environ 27 oC, ainsi que toute fluctuation actuelle de l'humidité et de l'arrosage.

2. Conditions et conception de robot

  1. Organisez les capacités des robots en nœuds décentralisés avec des ordinateurs à seule carte (voir La figure 1 et la figure 2),intégrés dans des supports mécaniques modulaires. Assurez-vous que chaque nœud robot identique est capable de contrôler et d'exécuter son propre comportement.
  2. Pour la fourniture robotique de stimuli aux plantes, fournir de la lumière bleue (400 à 500 nm) aux plantes à intervalles contrôlables, à une intensité qui déclenchera leur réponse phototropique, à partir de la direction et de l'orientation requises pour la partie respective de l'expérience .
    1. Choisissez une diode électroluminescente rouge-verte-bleue (RGB) ou une DEL bleue isolée. Dans les deux cas, inclure une LED avec une diode bleue avec émissionmaximale de 465 nm.
    2. Sélectionnez une LED qui, lorsqu'elle est regroupée en groupes et dans les conditions précises du robot utilisé, peut maintenir le niveau d'intensité lumineuse requis dans chaque direction testée dans la configuration de l'expérience. Pour chaque direction testée, assurez-vous que les diodes bleues dans les LED d'un seul robot sont collectivement capables de maintenir un niveau d'intensité lumineuse d'environ 30 lumens sans surchauffe, lorsqu'elles sont situées dans l'enceinte du robot utilisé et que toute l'utilisation stratégies de dissipation de la chaleur. La LED sélectionnée doit avoir un angle de vision d'environ 120 degrés.
      REMARQUE : Par exemple, dans un robot utilisant trois LED par direction, avec une régulation de l'intensité microcontrôleur, si les diodes bleues émettent avec une intensité lumineuse maximale de 15 lumens, alors sans surchauffe, elles devraient être en mesure de maintenir 65 % du maximum.)
    3. Interfacez les LED à l'ordinateur mono-carte du robot, via des pilotes LED qui régulent l'alimentation en fonction de la luminosité requise. Activez le contrôle individuel, soit de chaque LED ou des groupes LED desservant chaque direction testée dans la configuration.
  3. Pour la procédure de détection de la proximité des pointes de culture des plantes (voir Figure 3B),utilisez des lectures traitées à partir de capteurs de proximité infrarouge (IR-proximité) pour détecter de manière fiable et autonome la présence de plantes approchant de chaque direction testée dans la configuration.
    1. Sélectionnez un capteur de proximité IR qui détecte régulièrement la pointe croissante des espèces végétales sélectionnées, lorsqu'il est disposé perpendiculairement à l'axe central de la direction à partir de laquelle la plante s'approche, tel qu'il est testé dans un environnement non obstrué. Assurer la détection réussie se produit à partir d'une distance de 5 cm, comme on le voit dans la figure 3A à partir de l'horodatage étiqueté «07.04.16» sur l'axe horizontal.
    2. Interfacer chaque capteur ir-proximité avec l'ordinateur mono-carte du robot et mettre en œuvre une approche arithmétique pondérée pour traiter les lectures du capteur afin de déterminer si une plante est présente dans un rayon de 5 cm. Utilisez les lectures du capteur des plus récentes cinq s pour donner 20% du poids moyen final utilisé dans la détection.
    3. Assurez-vous que le capteur de proximité IR sélectionné n'émet pas de longueurs d'onde critiques qui pourraient interférer avec les comportements induits par la lumière des espèces sélectionnées. Veiller à ce que les longueurs d'onde émises par le capteur en dessous de 800 nm ne soient pas présentes à des distances supérieures à 5 mm de la source IR du capteur, mesurée sa part par spectromètre.
  4. Distribuer les fonctions d'expérience sur l'ensemble des robots, de sorte que chaque robot peut gérer de façon autonome les portions qui se déroulent dans sa propre zone locale. Organiser la fourniture par les robots de stimuli lumineux et de capacités de détection en fonction des directions de croissance de la plante testées.
    1. Composez chaque robot autour d'un ordinateur à une seule carte activé par le réseau sans fil local (WLAN). Interfacez l'ordinateur avec les capteurs et les actionneurs via un circuit imprimé personnalisé (PCB). Alimentez chaque robot individuellement, avec sa propre batterie de secours.
    2. Inclure un capteur ir-proximité par direction testé pour les plantes qui approchent, selon les exigences ci-dessus.
    3. Inclure suffisamment de LED pour fournir les exigences de lumière bleue ci-dessus, par direction testée pour les plantes qui approchent.
      1. Si vous utilisez des LED RGB plutôt que des LED bleues, permettre en option l'émittence de la diode rouge lorsque la diode bleue n'est pas utilisée, pour augmenter la livraison de lumière rouge décrite ci-dessous (pour la santé des plantes via le support de la photosynthèse).
      2. Si la lumière rouge est émise par les robots à certains intervalles, utilisez des diodes rouges dont l'émission maximale est d'environ 625 à 650 nm, sans longueurs d'onde critiques chevauchant la bande verte (c.-à-d. inférieure à 550 nm) ou la bande rouge lointaine (c.-à-d. au-dessus de 700 nm).
      3. Ne laissez pas les diodes rouges produire des niveaux de chaleur plus élevés que ceux des diodes bleues.
    4. Inclure du matériel qui permet des indices locaux entre les robots. Inclure un photorésistant (c.-à-d., résistant dépendant de la lumière ou LDR) pour chaque direction d'un robot voisin pour surveiller leur statut d'émetteur de lumière. Sinon, communiquez le statut des voisins locaux via WLAN.
    5. Inclure du matériel pour dissiper la chaleur, comme l'exigent les conditions des diodes bleues sélectionnées et de l'enceinte robotisée utilisée. Exécutez par une combinaison de radiateurs en aluminium, d'évents dans l'enceinte du boîtier du robot et de ventilateurs. Activez les ventilateurs par un capteur de température numérique sur l'ordinateur à une seule carte ou les BPC supplémentaires.
    6. Organisez les composants du robot de façon à ce que les directions pertinentes soient uniformément entretenues.
      1. Positionnez les diodes bleues pour distribuer une intensité lumineuse équivalente à chacune des directions à partir desquelles les plantes peuvent s'approcher (c.-à-d. à partir des supports mécaniques fixés à la moitié inférieure du robot, voir l'étape 2.5). Orientez chaque diode dans le boîtier du robot de telle sorte que l'axe central de son angle de lentille se trouve à moins de 60 degrés de chaque axe de support mécanique qu'il dessert, et placez-le à ne pas être bloqué par le boîtier du robot.
      2. Positionnez les capteurs de proximité IR de façon équivalente pour leurs directions de croissance respectives (c.-à-d., à partir des supports mécaniques fixés à la moitié inférieure du robot, voir l'étape 2.5). Placez chaque capteur ir-proximité à moins de 1 cm du point d'attache entre le robot et le support mécanique entretenu, et orientez-le de telle sorte que son angle de vision est parallèle à l'axe de support. Assurez-vous que son émetteur et son récepteur ne sont pas bloqués par le boîtier du robot.
      3. Placez tous les photorésistants pour la communication locale de façon équivalente pour chaque direction faisant face à un robot voisin dans la configuration (c.-à-d., de tous les supports mécaniques attachés au robot, voir 2.5). Orientez chaque photorésistant de telle sorte que l'axe central de son angle de vision se trouve à moins de 45 degrés de l'axe de support qu'il dessert, et que l'on ne bloque pas le boîtier du robot.
    7. Assembler tous les composants avec l'ordinateur à une seule planche (voir le diagramme de bloc de la figure 2). Assurez-vous que l'ordinateur peut être facilement accessible pour la maintenance après l'assemblage.
      1. Interface LEDà à l'ordinateur via les pilotes LED en utilisant la modulation de largeur d'impulsion. Utilisez une connexion mécanique fixe entre les LED et le boîtier ou le radiateur, et utilisez une connexion mécaniquement sans contrainte entre les LED et l'ordinateur.
      2. Interfacer les ventilateurs à l'ordinateur via régulateur linéaire (c.-à-d., commutateur) à l'aide d'une entrée à usage général / goupille d'en-tête de sortie. Ventilateurs D'affiniser lorsqu'un flux d'air adéquat est disponible, tout en veillant à ce qu'aucun stress mécanique ne soit mis sur eux.
      3. Interfacer les capteurs et les photorésistants de proximité ir via le convertisseur analogique au numérique, à l'aide d'une interface périphérique en série. Utilisez une connexion mécanique fixe entre les capteurs et le boîtier, et une connexion mécaniquement sans contrainte à l'ordinateur.
      4. Fabriquer le boîtier robot à partir de plastique résistant à la chaleur en utilisant soit le frittage au laser sélectif, stéréolithographie, modélisation de dépôt fusionné, ou le moulage par injection.
  5. Intégrez les robots dans un ensemble de supports mécaniques modulaires qui tiennent les robots en position et servent d'échafaudage d'escalade pour les plantes, limitant ainsi les trajectoires de croissance moyennes probables des plantes. Concevoir les robots pour servir de joints mécaniques supplémentaires entre les supports, positionnés de telle sorte qu'ils croisent les trajectoires de croissance de la plante.
    1. Minimisez la taille du robot et assurez-vous qu'il peut être surpassé de façon fiable par une pointe de croissance non supportée des espèces végétales sélectionnées. Réduisez la taille du robot dans la mesure du possible pour augmenter la vitesse de l'expérience.
    2. Façonner les parois externes du corps du robot pour qu'il soit aussi discret que possible pour la croissance des plantes lorsqu'une pointe de croissance navigue progressivement autour du robot. Arrondir ou faire face au corps du robot pour ne pas bloquer la trajectoire hélicoïdale de la circonciscicose chez les espèces de plantes jumelées. Exclure les saillies pointues et les indentations aigues.
    3. Sélectionnez un matériau et un profil (c.-à-d. la forme de la coupe transversale) pour les supports mécaniques, de sorte que les espèces végétales sélectionnées peuvent effectivement l'escalader, par exemple une tige en bois avec un profil circulaire d'un diamètre d'environ 8 mm ou moins. Assurez-vous que les supports mécaniques sont suffisamment rigides sur le plan structurel pour soutenir les plantes et les robots dans la configuration, complétés par une feuille d'acrylique transparente derrière la configuration.
    4. Sur chaque robot comprennent des points d'attache pour ancrer les supports mécaniques spécifiés. Inclure un pour chaque direction par laquelle une plante peut s'approcher ou quitter un robot.
      1. Pour chaque point d'attache, inclure une prise dans le boîtier du robot, avec des dimensions correspondant à la section transversale du matériau de support.
      2. Régler la prise d'une profondeur d'au moins 1 cm. Gardez la douille suffisamment peu profonde pour que le support n'entre pas en collision avec les composants à l'intérieur du robot.
    5. Disposer les supports mécaniques dans un motif régulièrement quadrillé, uniformément en diagonale avec un angle d'inclinaison à 45 degrés ou plus raide. Faire les longueurs des supports uniformes. La longueur minimale exposée du support est de 30 cm, ce qui laisse suffisamment d'espace pour que les plantes grimpantes se fixent après avoir exploré la zone dans leur état non pris en charge. La longueur exposée préférée est de 40 cm ou plus, pour permettre un tampon pour les cas statistiquement extrêmes d'attachement de la plante.
    6. Assembler les éléments mécaniques avec les robots. Le protocole suivant suppose une longueur de support exposée de 40 cm, et une configuration de huit robots en quatre rangées (voir Figure 6). Pour d'autres tailles, balancez en conséquence.
      1. Sur la surface du sol, construire un support de 125 cm de large qui est capable de maintenir la configuration en position verticale.
      2. Affix une feuille de 125 cm x 180 cm (8 mm d'épaisseur ou plus) d'acrylique transparent au support, de sorte qu'il se tient debout.
      3. Placer les pots avec le sol approprié sur le support, contre la feuille acrylique.
      4. Affix deux y-joints mécaniques à la feuille acrylique, 10 cm au-dessus des pots. Placez les joints 45 cm et 165 cm vers la droite, respectivement, du bord gauche du support.
      5. Affix deux supports à gauche y-joint, se penchant 45 vers la gauche et vers la droite, et apposer un support à la droite y-joint, se penchant 45 vers la gauche.
      6. Affix deux robots à la feuille acrylique, et insérez les extrémités des supports précédemment placés dans les prises dans les cas de robot. Placez les robots à 35 cm au-dessus des joints y, et à 10 cm et 80 cm vers la droite, respectivement, du bord gauche du support.
      7. Répétez le modèle pour apposer les robots restants et le soutien dans le modèle quadrillé en diagonale (voir Figure 6), de sorte que chaque rangée de robots est de 35 cm au-dessus de la rangée précédente, et chaque robot est positionné horizontalement directement au-dessus du robot ou y-joint qui est deux rangées en dessous.

3. Logiciel robot

  1. Installer un système d'exploitation (p. ex. Raspbian) sur les ordinateurs à seule planche des robots.
  2. Au cours de chaque expérience, exécutez le protocole logiciel sur chaque robot en parallèle, permettant leur comportement autonome distribué (voir Wahby et al.14, pour le pseudocode et plus de détails).
  3. Établir deux états possibles pour le robot : l'un étant un état de stimulus au cours duquel le robot émet une lumière bleue à l'intensité décrite ci-dessus; l'autre étant un état dormant au cours duquel le robot n'émet pas de lumière ou émet de la lumière rouge comme décrit ci-dessus.
    1. Dans l'état de stimulus, envoyez un signal de modulation de largeur d'impulsion (PWM) par l'intermédiaire de l'ordinateur à une seule carte avec une fréquence correspondant à la luminosité requise aux pilotes de LED bleues.
    2. En état de dormance, ne déclenchez aucune LED, ou si nécessaire envoyez un signal PWM aux seuls pilotes LED rouges.
  4. Dans les expériences de contrôle, assigner tous les robots à l'état dormant .
  5. Dans les expériences à décision unique, assigner un robot à l'état dormant et un robot l'état de stimulus.
  6. Dans les expériences à décisions multiples, commencez le processus d'initialisation, comme suit.
    1. Fournir à chaque robot une carte de configuration complète du modèle de croissance de la plante à tester dans l'expérience actuelle.
    2. Placez l'emplacement du robot dans le modèle, soit automatiquement à l'aide de capteurs de localisation, soit manuellement.
    3. Comparez l'emplacement du robot à la carte fournie. Si l'emplacement du robot est le premier emplacement sur la carte, configurez le robot pour stimuler; sinon, mettre le robot en sommeil. Le processus d'initialisation prend fin.
  7. Dans les expériences à décisions multiples, commencez le processus de direction, comme suit. Exécutez itérativement.
    1. Vérifiez la lecture du capteur de proximité IR du robot pour voir si une plante a été détectée.
    2. Si une plante est détectée et que le robot est mis ensommeil, alors maintenez.
    3. Si une plante est détectée et que le robot est réglé pour stimuler, alors :
      1. Informez les robots voisins adjacents qu'une plante a été détectée et incluez l'emplacement du robot dans le message.
      2. Mettre le robot en sommeil.
      3. Comparez l'emplacement du robot à la carte. Si le robot est au dernier endroit sur la carte, puis envoyer un signal sur WLAN que l'expérience est terminée.
    4. Vérifiez les messages entrants du robot de ses robots voisins adjacents pour voir si l'un d'eux qui a été mis à stimuler a détecté une plante.
    5. Si un voisin de stimulus a détecté une plante, comparez l'emplacement de ce voisin à l'emplacement du robot, et comparez également à la carte.
    6. Si le robot est à l'emplacement suivant sur la carte, définir le robot pour stimuler.
    7. Mettre fin à la boucle itérative du processus de direction une fois qu'un signal a été reçu que l'expérience est terminée.

4. Procédure de surveillance et d'entretien de la santé des plantes

  1. Localiser la configuration de l'expérience dans des conditions environnementales contrôlées, en particulier, à l'intérieur, sans lumière du jour ou autre lumière extérieure aux conditions décrites ci-dessous, avec une température et une humidité contrôlées de l'air, et avec un arrosage contrôlé du sol. Surveillez les conditions à l'aide de capteurs connectés à un microcontrôleur ou à un ordinateur à une seule carte compatible avec WLAN.
  2. Maintenir la photosynthèse végétale à l'aide de lampes de croissance LED externes aux robots et face à la configuration de l'expérience.
    1. Utilisez les lampes de croissance pour fournir une lumière rouge monochrome à la configuration, avec des diodes rouges ayant un pic d'émission d'environ 625 à 650 nm, sans longueurs d'onde critiques en dehors de la plage de 550 à 700 nm, à l'exception d'une faible incidence de lumière bleue ambiante si utile pour la santé des espèces sélectionnées. Si une faible incidence de lumière bleue ambiante est incluse, limitez-les à des niveaux à une fraction très mineure de ceux émis par un seul robot.
    2. Fournir les niveaux de lumière rouge nécessaires à la santé des espèces sélectionnées, habituellement environ 2000 lumens ou plus au total.
    3. Orientez les lampes de croissance pour faire face à la configuration de l'expérience, de sorte que leur émetteur est réparti à peu près uniformément sur la zone de croissance.
    4. Surveillez les conditions de lumière ambiante à l'aide d'un capteur de couleur RGB.
  3. Après la germination, fournir à chaque plante son propre pot à la base de la configuration de l'expérience. Fournir un volume et un type de sol appropriés pour les espèces sélectionnées. Assurez-vous que le sol et les graines ont été ainfectés avant la germination. Utilisez des méthodes de lutte antiparasitaire appropriées pour prévenir ou gérer les insectes s'ils sont présents.
  4. Réguler la température de l'air et les niveaux d'humidité, en conséquence pour les espèces sélectionnées, à l'aide de radiateurs, de climatiseurs, d'humidificateurs et de déshumidificateurs. Surveillez les niveaux à l'aide d'un capteur température-pression-humidité.
  5. Surveillez le sol à l'aide d'un capteur d'humidité du sol. Maintenir un taux d'arrosage approprié pour les espèces sélectionnées. Exécutez à l'aide d'un système d'arrosage automatisé où l'eau est livrée au sol par l'intermédiaire de buses déclenchées par les lectures du capteur d'humidité du sol, ou le sol d'eau manuellement, tel que réglementé par les lectures du capteur.

5. Conception d'expérience

  1. Placez les robots et les supports mécaniques dans une grille assez grande pour couvrir la zone de croissance et le modèle testé dans l'expérience, pas plus petit qu'une rangée et deux colonnes de robots.
  2. Au-dessous de la rangée inférieure des robots, placez une rangée des supports mécaniques diagonales standard, correspondant à ceux tout au long de la configuration. Lorsque les extrémités inférieures de ces supports se croisent, rejoignez-les mécaniquement avec un «y-joint». Pour chaque «y-joint» à la base de la configuration, planter un nombre uniforme de plantes en fonction de la taille de la cellule diagonale de grille (environ une plante par 10 cm de longueur de support mécanique exposée), avec les conditions d'entretien de la santé de l'usine décrites ci-dessus.
  3. Sélectionnez un type d'expérience à exécuter, et lorsque cela est pertinent, sélectionnez une quantité et une distribution de robots.
    1. Type d'expérience 1 : Contrôle
      REMARQUE : Ce type d'expérience teste la croissance des plantes grimpantes dans des conditions absentes des stimuli lumineux pour déclencher le phototropisme. Il peut fonctionner sur n'importe quelle taille et forme de configuration.
      1. Attribuez à tous les robots l'état dormant (voir l'étape 3.4) et exécutez en continu jusqu'à ce que les résultats soient évalués manuellement pour être complets.
      2. Observez si les plantes se fixent aux supports mécaniques. Dans une expérience réussie, aucune des plantes ne trouvera ou ne se fixera aux supports mécaniques.
    2. Type d'expérience 2 : Décision unique
      REMARQUE : Ce type d'expérience teste les trajectoires de croissance des plantes lorsqu'elles sont présentées avec des options binaires, une prise de soutien menant à un robot dormant et une prise de soutien menant à un robot de stimulus. Il ne s'exécute que sur la configuration minimale (c.-à-d., une ligne, deux colonnes).
      1. Attribuez un robot à l'état dormant (voir 3.5) et un robot à l'état de stimulus. Exécutez en continu jusqu'à ce que l'un des deux robots détecte une plante avec le capteur de proximité IR.
      2. Observez l'attachement de l'usine au support mécanique, la croissance le long du support, et les lectures de capteur du robot de stimulus. Dans une expérience réussie, le robot avec l'état de stimulus détectera une plante après qu'elle ait grandi le long du support respectif.
    3. Type d'expérience 3 : Décision multiple
      REMARQUE : Ce type d'expérience teste la croissance des plantes lorsqu'elles sont présentées avec de multiples conditions de stimuli ultérieures, qui déclenchent une série de décisions selon une carte globale prédéfinie. Il peut fonctionner sur n'importe quelle taille et forme de configuration qui a plus que le nombre minimum de lignes (c.-à-d., deux ou plus).
      1. Fournir aux robots une carte globale du modèle à cultiver (voir les étapes 3.6-3.7.7).
      2. Observez les événements d'attachement de la plante et le modèle de croissance le long des supports mécaniques.
        1. Dans le cadre d'une expérience réussie, au moins une plante aura poussé sur chaque support présent sur la carte mondiale.
        2. En outre, dans une expérience réussie, aucune plante n'aura choisi la direction erronée lorsque sa pointe de croissance est située au point de décision actuellement actif.
        3. Ne considérez pas les conseils de croissance extra-automatiques ici, si par exemple un événement de branchement place une nouvelle pointe de plus en plus à un endroit obsolète sur la carte.

6. Procédure d'enregistrement

  1. Stockez les données des capteurs et des caméras initialement à l'ordinateur à une seule carte où les données ont été générées à bord. Exécutez des serveurs de réponse à bord qui répondent aux demandes nécessaires, comme la dernière lecture de capteur stockée. À intervalles réguliers, téléchargez les données et logez les fichiers sur WLAN vers un périphérique de stockage réseau local (NAS).
  2. Capturez des vidéos en time-lapse des expériences en continu à l'aide de caméras placées à deux points de vue ou plus, avec au moins une vue de caméra englobant la configuration complète de l'expérience. Assurez-vous que les images capturées sont d'une résolution suffisamment élevée pour capturer adéquatement les mouvements des pointes de croissance de la plante, généralement seulement quelques millimètres de largeur.
    1. Automatisez le processus de capture d'image pour assurer des intervalles de temps constants entre les captures, à l'aide d'une caméra embarquée sur un ordinateur mono-planche ou d'un appareil photo numérique autonome qui est automatisé à l'aide d'un intervalomètre. Installez des lampes pour agir comme des flashs, automatisés de la même manière que les caméras. Assurez-vous que les flashs sont assez lumineux pour rivaliser avec la lumière rouge des lampes de croissance sans dramatiquement post-traitement des images pour la correction des couleurs.
    2. Localiser les flashs de telle sorte que la configuration de l'expérience peut être entièrement éclairée et donc clairement visible dans les images. Synchronisez les caméras et les flashs de telle sorte que toutes les caméras capturent des images simultanément, pendant une période flash de 2 s. Capturez les images toutes les 2 minutes, pendant la durée de chaque expérience.
  3. Enregistrez les données du capteur environnemental, en particulier les lectures du capteur de température-pression-humidité, du capteur de couleur RGB et du capteur d'humidité du sol. Enregistrez les données de tous les robots dans la configuration, en particulier le capteur de proximité IR et les lectures de photoresistor, ainsi que l'état interne du robot qui définit son statut d'émetteur LED.
  4. Rendre toutes les données enregistrées disponibles pour la surveillance à distance des expériences, par le biais de rapports réguliers en temps réel, afin de s'assurer que les conditions correctes sont maintenues pendant toute la durée de l'expérience jusqu'à plusieurs mois.

Representative Results

Contrôle : Comportement des plantes sans stimuli robotiques.
En raison de l'absence de lumière bleue (c'est-à-dire que tous les robots sont dormants), le phototropisme positif n'est pas déclenché dans la plante. Par conséquent, les plantes montrent une croissance ascendante impartiale comme ils suivent le gravitropisme. Ils présentent également une circonnutation typique (c.-à-d. enroulement), voir Figure 4A. Comme prévu, les plantes ne parviennent pas à trouver le support mécanique menant aux robots dormants. Les plantes s'effondrent lorsqu'elles ne peuvent plus supporter leur propre poids. Nous arrêtons les expériences quand au moins deux plantes s'effondrent, voir Figure 4B,C.

Décisions simples ou multiples : Comportement des plantes avec stimuli robotiques
Dans quatre expériences à une seule décision, deux courses ont la direction vers la gauche (c.-à-d., le robot gauche de la bifurcation est activé au stimulus),et deux courses ont la direction vers la droite. Les robots de stimulation dirigent avec succès les plantes vers le soutien correct, voir Figure 5. La plante la plus proche avec l'angle de tige le plus semblable à celui du support correct se fixe d'abord. Dans chaque expérience, au moins une plante se fixe au support et le grimpe jusqu'à ce qu'il atteigne le robot de stimulus et termine ainsi l'expérience. Dans une expérience, une deuxième plante se fixe au support correct. Les plantes restantes peuvent également se fixer dans des durées d'expérience plus longues. Aucune des plantes ne s'attache au support incorrect. Chaque expérience dure en continu pendant 13 jours en moyenne.

Dans deux expériences à décisions multiples, les plantes se développent en un modèle prédéfini en zigzag, voir Figure 6A. Chaque expérience dure environ sept semaines. Au début d'une expérience, un robot fixe son statut à un stimulus (voir 3.6.3) et oriente les plantes vers le support correct selon le modèle stipulé. Une plante l'attache et la grimpe, arrivant au robot de stimulus activé, complétant ainsi la première décision. Selon 3.7.3, le robot de stimulus actuel devient alors dormant et informe ses voisins adjacents. Le voisin dormant qui est le prochain sur le modèle en zigzag se passe à stimulus (voir 3.7.6). Si une plante est détectée par un robot dormant, ce robot ne réagit pas (voir 3.7.2). Les usines continuent et terminent avec succès les trois décisions restantes. Le motif prédéfini en zigzag est donc entièrement cultivé, voir Figure 6B.

Toutes les données d'expérience, ainsi que les vidéos, sont disponibles en ligne24.

Figure 1
Figure 1. Le robot immobile et ses composants primaires. Figure réimprimée à partir de la publication de l'auteur Wahby et al.14, utilisée avec la licence Creative Commons CC-BY 4.0 (voir les fichiers supplémentaires), avec des modifications permises par licence. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2
Figure 2. Le diagramme de composant de l'électronique immobile de robot. Les pilotes LED IRLML2060 sont interfétés avec l'ordinateur mono-planche du robot (par exemple Raspberry Pi) via PWM pour contrôler la luminosité des LED. Un commutateur LP5907 est interfété avec l'ordinateur à une seule planche via l'entrée à usage général / sortie (GPIO) broche d'en-tête, pour contrôler le ventilateur. Un convertisseur analogique-numérique MCP3008 (ADC) est interfété avec l'ordinateur à une seule planche via l'interface périphérique en série (SPI) pour lire les données de l'IR analogique et du capteur de résistance à la lumière (LDR). Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3
Figure 3. Peu de temps après '03.04.16,' une pointe de l'usine monte un support et arrive dans le champ de vision du robot. (A) Échantillon ruse capteur de tension à l'échelle (axe vertical) au cours d'une expérience. Des valeurs plus élevées indiquent la détection des pointes de l'usine. (B) Le capteur ir-proximité est placé et orienté en fonction de la fixation de support, afin d'assurer une détection efficace de la pointe de l'usine. Figure réimprimée à partir de la publication de l'auteur Wahby et al.14, utilisée avec la licence Creative Commons CC-BY 4.0 (voir les fichiers supplémentaires), avec des modifications permises par licence. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 4
Figure 4. Les expériences de contrôle donnent des images montrant que les quatre plantes ne se sont pas rattachés à un support en l'absence de lumière bleue. (A) Après cinq jours, toutes les plantes poussent vers le haut dans l'une des expériences de lutte (voir (C) pour l'état de croissance ultérieure). (B) Après 15 jours, trois plantes se sont effondrées, et une pousse encore vers le haut dans la première expérience de contrôle. (C) Après sept jours, deux plantes se sont effondrées, et deux encore en croissance vers le haut dans la deuxième expérience de lutte (voir (A) pour l'état de croissance précédente). Figure réimprimée à partir de la publication de l'auteur Wahby et al.14, utilisée avec la licence Creative Commons CC-BY 4.0 (voir les fichiers supplémentaires), avec des modifications permises par licence. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 5
Figure 5. Les expériences à décision unique donnent des images montrant la capacité d'un robot de stimulus à diriger les plantes à travers une décision binaire, à monter le support correct. Dans les quatre expériences, un robot est mis à stimulus et l'autre à dormant-à deux côtés opposés d'une jonction. Les cadres montrent l'emplacement des plantes juste avant que le robot de stimulus ne les détecte. Dans chaque expérience, au moins une plante se fixe au support correct, et aucune plante ne s'attache à la plante incorrecte. En outre, les plantes non soutenues montrent la croissance biaisée vers le robot de stimulus. E, F, G, H sont des gros plans de A, B, C, D respectivement. Figure réimprimée à partir de la publication de l'auteur Wahby et al.14, utilisée avec la licence Creative Commons CC-BY 4.0 (voir les fichiers supplémentaires), avec des modifications permises par licence. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 6
Figure 6. Expérience à décisions multiples. (A) Le motif en zigzag ciblé est mis en surbrillance en vert sur la carte. (B) Le dernier cadre de l'expérience (après 40 jours), montrant la situation des plantes avant le dernier robot de stimulus sur le modèle les détecte. Les robots développent avec succès le motif en zigzag. Figure réimprimée à partir de la publication de l'auteur Wahby et al.14, utilisée avec la licence Creative Commons CC-BY 4.0 (voir les fichiers supplémentaires), avec des modifications permises par licence. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Discussion

La méthodologie présentée montre les premières étapes vers l'automatisation de la direction de la croissance des plantes axée sur les stimuli, afin de générer des modèles spécifiques. Cela nécessite un maintien continu de la santé des plantes tout en combinant en une seule expérience les domaines distincts des réponses de croissance biochimique et des fonctions méchatroniques techniques de détection, de communication et de génération contrôlée de stimuli. Comme nous nous concentrons ici sur les plantes grimpantes, le soutien mécanique fait également partie intégrante. Une limitation de la configuration actuelle est son échelle, mais nous croyons que notre méthodologie s'évolue facilement. L'échafaudage mécanique peut être étendu pour de plus grandes configurations et donc des périodes de croissance plus longues, ce qui permet également des configurations et des modèles élargis. Ici, la configuration est limitée à deux dimensions et les décisions binaires gauche-droite, comme la croissance est limitée à une grille de supports mécaniques à 45 'inclinaison, et les positions de décision de l'usine sont limitées aux bifurcations de cette grille. Les extensions mécaniques peuvent inclure des échafaudages 3D et des matériaux différents, pour permettre des formes complexes9,19. La méthodologie peut être considérée comme un système pour développer automatiquement les modèles définis par un utilisateur. En étendant la complexité possible des configurations mécaniques, les utilisateurs doivent faire face à peu de restrictions sur leurs modèles souhaités. Pour une telle application, un outil logiciel utilisateur devrait confirmer que le modèle est productible, et la mécatronique devrait alors auto-organiser la production du modèle en générant des stimuli appropriés pour orienter les plantes. Le logiciel devrait également être étendu pour inclure des plans de récupération et des politiques déterminant la façon de poursuivre la croissance si le modèle prévu à l'origine a partiellement échoué, par exemple si le premier robot activé n'a jamais détecté une plante mais les dormants ont vu que la position des pointes de croissance sont au-delà du robot activé.

Dans la méthodologie présentée, un exemple d'espèces végétales répondant aux critères de sélection du protocole est le harimon commun grimpant, P. vulgaris. Il s'agit de l'espèce utilisée dans les résultats représentatifs. Comme P. vulgaris a un fort phototropisme positif aux UV-A et à la lumière bleue, les phototropines (protéines réceptrices de lumière) de la plante absorberont les photons correspondant aux longueurs d'onde 340-500 nm. Lorsque les récepteurs sont déclenchés, le premier gonflement se produira dans la tige par la relocalisation préférentielle de l'eau vers les tissus souches opposés aux récepteurs déclenchés, provoquant une réponse directionnelle réversible. Ensuite, à l'intérieur de la tige, l'auxine (hormone de modelage végétal) est dirigée vers le même emplacement tissulaire, perpétuant la réponse directionnelle et fixant les tissus de tige pendant qu'ils se raidissent. Ce comportement peut être utilisé pour façonner les plantes dans ces conditions intérieures contrôlées, car les plantes ne sont exposées qu'à la lumière bleue isolée et à la lumière rouge isolée, avec la lumière rouge d'incident des capteurs ir-proximité à des niveaux assez bas qu'il n'interfère pas avec des comportements tels que la réponse d'ombre-évitement20,21. La réaction de phototropisme dans la plante répond dans la configuration à la lumière des diodes bleues avec l'émission de pointe -max 465 nm, et la photosynthèse22,23 dans l'usine est soutenue par des diodes rouges avec l'émission de pointe - max - 650 nm. P. vulgaris de plus en plus jusqu'à plusieurs mètres de hauteur est approprié dans la configuration globale, comme le sol de jardinage environ 3 L nécessaire par pot s'adapte à l'échelle de configuration.

Bien que la configuration actuelle se concentre sur la lumière comme un stimulus d'attraction, des stimuli supplémentaires peuvent être pertinents pour d'autres types d'expériences. Si le modèle souhaité nécessite une séparation entre différents groupes de plantes (p. ex., le modèle désiré a besoin de deux groupes de plantes pour choisir des côtés opposés), alors il peut ne pas être possible d'utiliser un seul type de stimulus. Pour de tels modèles de croissance complexes indépendamment de la forme d'échafaudage, les différents groupes de plantes peuvent potentiellement être cultivés dans différentes périodes de temps de sorte que leurs stimulus respectifs d'attraction n'interfèrent pas, qui permettrait également l'intégration de branchement Événements. Cependant, cela peut ne pas toujours être une solution appropriée, et le stimulus de lumière attrayant standard pourrait alors être augmenté en repoussant des influences telles que l'ombrage, ou par d'autres stimuli comme la lumière rouge lointaine ou les moteurs de vibration9,14.

La méthode présentée et la conception de l'expérience ne sont qu'un premier pas vers une méthodologie sophistiquée pour influencer automatiquement la croissance directionnelle des plantes. La configuration de l'expérience est de base en déterminant seulement une séquence de décisions binaires dans les plantes et nous nous concentrons sur un, facile à gérer stimulus. Des études supplémentaires seraient nécessaires pour prouver la signification statistique de la méthode, pour ajouter plus de stimuli et pour contrôler d'autres processus tels que la ramification. Avec un développement suffisant pour garantir la fiabilité à long terme des robots, la méthodologie présentée pourrait permettre l'automatisation des expériences végétales sur de longues périodes, réduisant les frais généraux associés à l'étude des stades de développement de l'usine au-delà de celle des pousses. Des méthodes similaires peuvent permettre des études futures sur la dynamique sous-explorée entre les organismes biologiques et les robots autonomes, lorsque les deux agissent comme des systèmes bio-hybrides auto-organisés étroitement couplés.

Disclosures

Les auteurs déclarent qu'ils n'ont pas d'intérêts financiers concurrents.

Acknowledgments

Cette étude a été soutenue par le projet de robotique florale qui a reçu un financement du programme de recherche et d'innovation Horizon 2020 de l'Union européenne dans le cadre de l'accord de subvention FET, no 640959. Les auteurs remercient Anastasios Getsopulos et Ewald Neufeld pour leur contribution à l'assemblage de quincaillerie, et Tanja Katharina Kaiser pour sa contribution à la surveillance des expériences végétales.

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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