Rilevamento robotico e fornitura di stimoli per la crescita guidata delle piante

Engineering
 

Summary

I nodi robot distribuiti forniscono sequenze di stimoli alla luce blu per orientare le traiettorie di crescita delle piante rampicanti. Attivando il fototropismo naturale, i robot guidano le piante attraverso le decisioni binarie sinistra-destra, facendole crescere in modelli predefiniti che invece non sono possibili quando i robot sono domeggiati.

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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

I sistemi robotizzati sono attivamente studiati per la manipolazione delle piante naturali, tipicamente limitate alle attività di automazione agricola come il raccolto, l'irrigazione e il controllo meccanico delle erbacce. Estendendo questa ricerca, introduciamo qui una nuova metodologia per manipolare la crescita direzionale delle piante attraverso i loro meccanismi naturali per la segnalazione e la distribuzione degli ormoni. Un'efficace metodologia di fornitura di stimoli robotici può aprire possibilità per nuove sperimentazioni con fasi di sviluppo successive negli impianti o per nuove applicazioni biotecnologiche come la formazione di piante per pareti verdi. L'interazione con le piante presenta diverse sfide robotiche, tra cui il rilevamento a corto raggio di organi vegetali piccoli e variabili e l'attuazione controllata delle risposte delle piante che sono influenzate dall'ambiente oltre agli stimoli forniti. Al fine di guidare la crescita delle piante, sviluppiamo un gruppo di robot immobili con sensori per rilevare la vicinanza di punte di crescita, e con diodi per fornire stimoli leggeri che attuano il fototropismo. I robot sono testati con il fagiolo comune di arrampicata, Phaseolus vulgaris, in esperimenti con durate fino a cinque settimane in un ambiente controllato. Con i robot che emettono in sequenza emissioni di picco luce blu a lunghezza d'onda 465 nm-plant, vengono guidate con successo da decisioni binarie successive lungo supporti meccanici per raggiungere le posizioni di destinazione. I modelli di crescita sono testati in un setup fino a 180 cm di altezza, con steli vegetali cresciuti fino a circa 250 cm di lunghezza cumulativa per un periodo di circa sette settimane. I robot si coordinano e operano in modo completamente autonomo. Rilevano le punte delle piante che si avvicinano tramite sensori di prossimità a infrarossi e comunicano via radio per passare tra stimoli di luce blu e stato dometrato, se necessario. Nel complesso, i risultati ottenuti supportano l'efficacia della combinazione di metodologie di esperimento robot e impianto, per lo studio di interazioni potenzialmente complesse tra sistemi autonomi naturali e ingegnerizzati.

Introduction

Congruenti con la crescente prevalenza dell'automazione nella produzione e nella produzione, i robot vengono utilizzati per seminare, trattare e raccogliere piante1,2,3,4,5. Utilizziamo la tecnologia robotica per automatizzare gli esperimenti sulle piante in modo non invasivo, con lo scopo di guidare la crescita attraverso risposte direzionali agli stimoli. Le pratiche tradizionali di giardinaggio hanno incluso la sagomatura manuale di alberi e cespugli mediante moderazione meccanica e taglio. Presentiamo una metodologia che può ad esempio essere applicata a questo compito modellante, orientando i modelli di crescita con gli stimoli. La nostra metodologia presentata è anche un passo verso esperimenti automatizzati sulle piante, qui con un focus specifico sulla fornitura di stimoli leggeri. Una volta che la tecnologia è diventata robusta e affidabile, questo approccio ha il potenziale per ridurre i costi negli esperimenti sugli impianti e per consentire nuovi esperimenti automatizzati che altrimenti sarebbero irrealizzabili a causa dell'overhead nel tempo e nel lavoro manuale. Gli elementi robotici sono liberamente programmabili e agiscono in modo autonomo in quanto sono dotati di sensori, attuatori per la fornitura di stimoli e microprocessori. Mentre ci concentriamo qui sul rilevamento di prossimità (cioè, misurare le distanze a distanza ravvicinata) e stimoli leggeri, molte altre opzioni sono fattibili. Ad esempio, i sensori possono essere utilizzati peranalizzare il colore della pianta, per monitorare l'attività biochimica 6, o per fitosensing7 approcci per monitorare ad esempio le condizioni ambientali attraverso l'elettrofisiologia vegetale8. Allo stesso modo, le opzioni dell'attuatore potrebbero fornire altri tipi di stimoli9, attraverso motori a vibrazione, dispositivi di spruzzatura, riscaldatori, ventilatori, dispositivi di ombreggiatura o manipolatori per il contatto fisico diretto. Ulteriori strategie di attuazione potrebbero essere implementate per fornire una mobilità lenta ai robot (cioè 'bot lenti'10), in modo che possano cambiare gradualmente la posizione e la direzione da cui forniscono stimoli. Inoltre, poiché i robot sono dotati di computer a scheda singola, potrebbero eseguire processi più sofisticati come la visione per la fenotipizzazione vegetale11 o i controllori di rete neurale artificiale per l'attivazione degli stimoli12. Poiché la ricerca scientifica delle piante si concentra spesso sulla crescita precoce (cioè nei germogli)13, l'intero ambito dell'utilizzo di sistemi robot autonomi per influenzare le piante per periodi più lunghi sembra poco esplorato e può offrire molte opportunità future. Andando anche un passo avanti, gli elementi robotici possono essere visti come oggetti di ricerca stessi, consentendo lo studio delle complesse dinamiche dei sistemi bio-ibridi formati da robot e piante che interagiscono strettamente. I robot impongono selettivamente stimoli alle piante, reagiscono in base al loro comportamento adattivo e cambiano il loro modello di crescita, che viene successivamente rilevato dai robot tramite i loro sensori. Il nostro approccio chiude il ciclo di feedback comportamentale tra le piante e i robot e crea un ciclo di controllo omeostatico.

Nei nostri esperimenti per testare la funzione del sistema robot, usiamo esclusivamente il fagiolo comune di arrampicata, Phaseolus vulgaris. In questa configurazione, utilizziamo piante rampicanti, con supporti meccanici in un ponteggio grigliato di altezza complessiva di 180 cm, in modo che le piante siano influenzate dal tigmotromo e abbiano una serie limitata di direzioni di crescita tra cui scegliere. Dato che vogliamo modellare l'intera pianta per un periodo di settimane, utilizziamo stimoli di luce blu per influenzare il fototropismo della pianta macroscopicamente, in diversi periodi di crescita, tra cui giovani germogli e successivamente irrigidimento dello stelo. Conduciamo gli esperimenti in condizioni di luce ambientale completamente controllate in cui diversi dagli stimoli della luce blu forniamo esclusivamente luce rossa, con picco di emissione a lunghezza d'onda 650 nm. Quando raggiungono una biforcazione nella griglia di supporto meccanico, prendono una decisione binaria se crescere a sinistra oa destra. I robot sono posizionati a queste biforcazioni meccaniche, separate da distanze di 40 cm. Attivano e disattivano autonomamente la loro emissione di luce blu, con picco di emissione a lunghezza d'onda 465 nm, secondo una mappa predefinita del modello di crescita desiderato (in questo caso, un modello a zig-zag). In questo modo, le piante sono guidate dalla biforcazione alla biforcazione in una sequenza definita. Viene attivato un solo robot in un dato momento, durante il quale emette luce blu mentre monitora autonomamente la crescita delle piante sul supporto meccanico sottostante. Una volta che rileva una punta crescente utilizzando i suoi sensori di prossimità a infrarossi, smette di emettere luce blu e comunica ai suoi robot vicini via radio. Il robot che si determina per essere il prossimo obiettivo nella sequenza successivamente si attiva, attirando la crescita delle piante verso una nuova biforcazione meccanica.

Poiché il nostro approccio incorpora meccanismi sia ingegnerizzati che naturali, i nostri esperimenti includono diversi metodi che operano contemporaneamente e interdipendenti. Il protocollo qui è prima organizzato in base al tipo di metodo, ognuno dei quali deve essere integrato in una configurazione di esperimento unificato. Questi tipi sono la selezione delle specie vegetali; progettazione di robot, inclusi hardware e meccanica; software robot per la comunicazione e il controllo; e il monitoraggio e il mantenimento della salute delle piante. Il protocollo procede quindi con la progettazione dell'esperimento, seguita dalla raccolta e dalla registrazione dei dati. Per tutti i dettagli dei risultati ottenuti finora, vedere Wahby et al. I risultati rappresentativi coprono tre tipi di esperimenti: esperimenti di controllo in cui tutti i robot non forniscono stimoli (cioè sono domeggiati); esperimenti a decisione singola in cui l'impianto fa una scelta binaria tra un robot che fornisce stimoli e uno che è domente; e esperimenti a decisioni multiple in cui la pianta naviga in una sequenza di scelte binarie per far crescere un modello predefinito.

Protocol

1. Procedura di selezione delle specie vegetali

NOTA: Questo protocollo si concentra sui comportamenti delle piante legati all'arrampicata, le risposte direzionali alla luce e la salute e la sopravvivenza delle piante nella stagione specifica, nella posizione e nelle condizioni sperimentali.

  1. Selezionare una specie vegetale nota per mostrare un forte fototropismo positivo15,16 verso UV-A e luce blu (340-500 nm) nelle punte di crescita.
  2. Selezionare una specie che è un avvolgitore, in cui il comportamento della circonferenza17 è pronunciato e la punta crescente ha traiettorie elicoidali con un'ampiezza sufficiente per il vento intorno ai supporti meccanici utilizzati nelle specifiche condizioni sperimentali. Il comportamento gemellante18 esibito dall'avvolgitore selezionato dovrebbe tollerare l'ambiente e le condizioni nutritive presenti nell'esperimento e dovrebbe tollerare supporti meccanici con angolo di inclinazione fino a 45 gradi.
  3. Selezionare una specie che crescerà in modo affidabile e rapido nelle condizioni sperimentali, con una velocità di crescita media non inferiore a circa 5 cm al giorno, e preferibilmente più veloce se possibile.
  4. Seleziona una specie che visualizzerà i comportamenti richiesti nella stagione attuale e nella posizione geografica.
  5. Assicurarsi che la specie tolleri la gamma di parametri ambientali che saranno presenti nella configurazione sperimentale. La pianta dovrebbe tollerare l'assenza di luce verde e l'assenza di luce al di fuori dello spettro visibile (400-700 nm). La pianta dovrebbe anche tollerare eventuali fluttuazioni attuali di temperatura, mantenute a circa 27 gradi centigradi, così come eventuali fluttuazioni presenti in umidità e irrigazione.

2. Condizioni e progettazione dei robot

  1. Organizzare le funzionalità del robot in nodi decentralizzati con computer a scheda singola (vedere Figura 1 e Figura 2), integrati in supporti meccanici modulari. Assicurarsi che ogni nodo robot identico sia in grado di controllare ed eseguire il proprio comportamento.
  2. Per la fornitura robotica di stimoli alle piante, fornire luce blu (400-500 nm) alle piante a intervalli controllabili, ad un'intensità che attiverà la loro risposta fototropica, dalla direzione e dall'orientamento necessari per la rispettiva parte dell'esperimento .
    1. Selezionare un diodo a emissione luminosa (LED) rosso-verde-blu (RGB) o un LED blu isolato. In entrambi i casi, includere un LED con un diodo blu con picco di emissione ,max , 465 nm.
    2. Selezionare un LED che, una volta riuniti in gruppi e impostati nelle condizioni precise del robot utilizzato, può mantenere il livello di intensità della luce richiesto in ogni direzione testata nella configurazione dell'esperimento. Per ogni direzione testata, assicurarsi che i diodi blu nei LED in un singolo robot siano collettivamente in grado di mantenere un livello di intensità della luce di circa 30 lumen senza surriscaldarsi, quando posizionati nella custodia del robot utilizzata e in qualsiasi strategie di dissipazione del calore. Il LED selezionato deve avere un angolo di visualizzazione di circa 120 gradi.
      NOTA: Ad esempio, in un robot che utilizza tre LED per direzione, con regolazione di intensità abilitata per microcontroller, se i diodi blu emettono con la massima intensità luminosa: 15 lumen, quindi senza surriscaldamento dovrebbero essere in grado di mantenere il 65% del massimo.)
    3. Interfaccia i LED con il computer a scheda singola del robot, tramite driver LED che regolano l'alimentazione in base alla luminosità richiesta. Abilitare il controllo individuale, uno di ogni LED o dei gruppi LED che servono ogni direzione in fase di test nella configurazione.
  3. Per la procedura di rilevamento per la prossimità dei suggerimenti di crescita delle piante (vedere la figura 3B),utilizzare le letture elaborate dai sensori di prossimità a infrarossi (IR-prossimy) per rilevare in modo affidabile e autonomo la presenza di piante che si avvicinano da ogni direzione testata nella configurazione.
    1. Selezionare un sensore di prossimità IR che rilevi regolarmente la punta crescente delle specie vegetali selezionate, se disposto perpendicolarmente all'asse centrale della direzione da cui si avvicina la pianta, come testato in un ambiente libero. Assicurarsi che il rilevamento abbia esito positivo a partire da una distanza di 5 cm, come illustrato nella figura 3A a partire dal timestamp con etichetta '07.04.16' sull'asse orizzontale.
    2. Interfaccia ogni sensore di prossimità IR al computer a scheda singola del robot e implementa un approccio aritmetico ponderato per elaborare le letture del sensore nella determinazione della presenza di una pianta entro 5 cm. cinque s per dare il 20% del peso medio finale utilizzato nel rilevamento.
    3. Assicurarsi che il sensore di prossimità IR selezionato non emetta lunghezze d'onda critiche che potrebbero interferire con i comportamenti guidati dalla luce della specie selezionata. Assicurarsi che le lunghezze d'onda emesse dal sensore al di sotto di 800 nm non siano presenti a distanze superiori a 5 mm dalla sorgente IR del sensore, misurate dallo spettrometro.
  4. Distribuisci le funzioni dell'esperimento sul set di robot, in modo che ogni robot possa gestire autonomamente le porzioni che procedono nella propria area locale. Organizzare la fornitura di stimoli luminosi e capacità di rilevamento da parte dei robot in base alle rispettive direzioni di crescita delle piante in fase di test.
    1. Comporre ogni robot intorno a un computer a scheda singola che è wireless Local Area Network (WLAN) abilitato. Interfacciare il computer a sensori e attuatori tramite una scheda di circuito stampato personalizzato (PCB). Alimenta ogni robot singolarmente, con il proprio backup della batteria.
    2. Includere un sensore di prossimità IR per direzione in fase di test per l'avvicinamento degli impianti, in base ai requisiti di cui sopra.
    3. Includere un numero sufficiente di LED per soddisfare i requisiti di luce blu di cui sopra, per direzione in fase di test per le piante in avvicinamento.
      1. Se si utilizzano LED RGB anziché LED blu, facoltativamente abilitare l'emissione dal diodo rosso quando il diodo blu non è in uso, per aumentare la consegna della luce rossa descritta di seguito (per la salute delle piante tramite il supporto della fotosintesi).
      2. Se la luce rossa viene emessa dai robot a determinati intervalli, utilizzare diodi rossi con emissione di picco a circa 625-650 nm, senza lunghezze d'onda critiche che sovrappongono la banda verde (cioè, inferiore a 550 nm) o la banda di colore rosso (cioè, superiore a 700 nm).
      3. Non consentire ai diodi rossi di produrre livelli di calore superiori a quelli dei diodi blu.
    4. Includere l'hardware che consente segnali locali tra i robot. Includere un fotoresistor (cioè un resistore dipendente dalla luce o LDR) per ogni direzione di un robot vicino per monitorare il loro stato di emissione di luce. In alternativa, comunicare lo stato dei vicini locali tramite WLAN.
    5. Includere l'hardware per dissipare il calore, come richiesto dalle condizioni dei diodi blu selezionati e dall'alloggiamento del robot utilizzato. Eseguire da una combinazione di heatsinks in alluminio, prese d'aria nella custodia del robot, e ventilatori. Attivare le ventole con un sensore di temperatura digitale sul computer a scheda singola o PCB supplementare.
    6. Organizzare i componenti del robot in modo che le direzioni pertinenti siano gestite uniformemente.
      1. Posizionare i diodi blu per distribuire un'intensità di luce equivalente a ciascuna delle direzioni da cui le piante possono avvicinarsi (cioè dai supporti meccanici attaccati alla metà inferiore del robot, vedere il punto 2.5). Orientare ogni diodo nel caso del robot in modo che l'asse centrale dell'angolo dell'obiettivo si tratti di 60 gradi di ogni asse di supporto meccanico che fornisce servizi e posizionarlo in modo che non sia bloccato dalla custodia del robot.
      2. Posizionare i sensori di prossimità IR in modo equivalente per le rispettive direzioni di crescita in avvicinamento (cioè dai supporti meccanici attaccati alla metà inferiore del robot, vedere il passaggio 2.5). Posizionare ogni sensore di prossimità IR entro 1 cm dal punto di attacco tra il robot e il supporto meccanico in manutenzione, e orientarlo in modo che il suo angolo di visualizzazione sia parallelo all'asse di supporto. Assicurarsi che l'emettitore e il ricevitore non siano bloccati dalla custodia del robot.
      3. Posizionare i fotoresistori per la comunicazione locale in modo equivalente per ogni direzione rivolta a un robot adiacente nella configurazione (ad esempio, da tutti i supporti meccanici collegati al robot, vedere 2.5). Orientare ogni fotoresistor in modo che l'asse centrale del suo angolo di visualizzazione si applichi entro i 45 gradi dell'asse di supporto che fornisce e la posizione non sia bloccata dal caso del robot.
    7. Assemblare tutti i componenti con il computer a scheda singola (fare riferimento al diagramma a blocchi nella figura 2). Assicurarsi che il computer sia facilmente accessibile per la manutenzione dopo l'assemblaggio.
      1. I LED di interfaccia al computer tramite driver LED utilizzando la modulazione della larghezza dell'impulso. Utilizzare una connessione meccanica fissa tra i LED e la cassa o il dissipatore di calore e utilizzare una connessione meccanicamente non vincolata tra i LED e il computer.
      2. Interfaccia ventilatori al computer tramite regolatore lineare (cioè, interruttore) utilizzando un pin di intestazione di ingresso/uscita di uso generale. Apporre i ventilatori in cui è disponibile un adeguato flusso d'aria, garantendo al contempo che non venga posto alcuna sollecitazione meccanica su di essi.
      3. Interfaccia IR-proximity sensori e fotoresistors tramite convertitore analogico-digitale, utilizzando l'interfaccia periferica seriale. Utilizzare una connessione meccanica fissa dai sensori alla custodia e una connessione meccanicamente non vincolata al computer.
      4. Produci la custodia robot izzata dalla plastica resistente al calore utilizzando il rivestimento laser selettivo, la stereolitografia, la modellazione della deposizione fusa o lo stampaggio a iniezione.
  5. Integrare i robot in una serie di supporti meccanici modulari che tengono due volte i robot in posizione e fungono da ponteggio per le piante, limitando le probabili traiettorie di crescita media delle piante. Progettare i robot in modo che fungano da giunti meccanici supplementari tra i supporti, posizionati in modo da intersecare le traiettorie di crescita delle piante.
    1. Ridurre al minimo le dimensioni del robot e assicurarsi che possa essere superato in modo affidabile da una punta di crescita non supportata delle specie vegetali selezionate. Riduci le dimensioni del robot nella massima misura possibile per aumentare la velocità dell'esperimento.
    2. Modellare le pareti esterne del corpo del robot per essere il più discreto per la crescita delle piante possibile quando una punta crescente naviga in modo incrementale intorno al robot. Arrotondare o sfonare il corpo del robot per non bloccare la traiettoria elicoidale della ciaclamento nelle specie di piante gemellanti. Escludere sporche taglienti e indentazioni acute.
    3. Selezionare un materiale e un profilo (ad esempio, la forma della sezione trasversale) per i supporti meccanici, in modo che le specie vegetali selezionate possano effettivamente arrampicarsi, ad esempio un'asta di legno con profilo circolare di un diametro di circa 8 mm o meno. Assicurarsi che i supporti meccanici siano strutturalmente abbastanza rigidi da supportare le piante e i robot all'interno del setup, potenziati da un foglio acrilico trasparente dietro la configurazione.
    4. Su ogni robot includono punti di attacco per ancorare i supporti meccanici specificati. Includerne uno per ogni direzione in base alla quale una pianta può avvicinarsi o lasciare un robot.
      1. Per ogni punto di attacco, includere una presa nel caso del robot, con dimensioni corrispondenti alla sezione trasversale del materiale di supporto.
      2. Impostare la presa con una profondità non inferiore a 1 cm. Mantenere la presa sufficientemente bassa da non collidere con i componenti all'interno del robot.
    5. Disporre i supporti meccanici in un modello regolarmente grigliato, diagonale uniforme con un angolo di inclinazione a 45 gradi o più ripido. Rendere uniformi le lunghezze dei supporti. La lunghezza minima esposta del supporto è di 30 cm, per consentire spazio sufficiente per le piante rampicanti da attaccare dopo aver esplorato l'area nelle loro condizioni non supportate. La lunghezza preferita esposta è 40 cm o più, per consentire un buffer per casi statisticamente estremi di attaccamento della pianta.
    6. Assemblare gli elementi meccanici con i robot. Il protocollo seguente presuppone una lunghezza di supporto esposta di 40 cm e una configurazione di otto robot in quattro righe (vedere Figura 6). Per altre dimensioni, scalare di conseguenza.
      1. Sulla superficie del pavimento, costruire un supporto largo 125 cm che è in grado di trattenere l'impostazione in posizione verticale.
      2. Apporre un foglio di 125 cm x 180 cm (8 mm di spessore o più) di acrilico trasparente al cavalletto, in modo che si erge in posizione verticale.
      3. Posizionare i vasi con il terreno appropriato sul supporto, contro il foglio acrilico.
      4. Fissare due giunti y meccanici al foglio acrilico, 10 cm sopra i vasi. Posizionare i giunti 45 cm e 165 cm a destra, rispettivamente, del bordo sinistro del supporto.
      5. Affisso due supporti all'articolazione y sinistra, appoggiati di 45 gradi a sinistra e a destra, e apporto un supporto all'articolazione y destra, appoggiata di 45 gradi a sinistra.
      6. Apporre due robot al foglio acrilico e inserire le estremità dei supporti precedentemente posizionati nelle prese nei casi robot. Posizionare i robot 35 cm sopra i giunti y e 10 cm e 80 cm a destra, rispettivamente, del bordo sinistro del supporto.
      7. Ripetere il modello per apporre i robot rimanenti e il supporto nel modello diagonalmente grigliato (vedere Figura 6), in modo che ogni riga di robot si trovi 35 cm sopra la riga precedente e che ogni robot sia posizionato orizzontalmente direttamente sopra il robot o il giunto y che è due file sotto di esso.

3. Software robot

  1. Installare un sistema operativo (ad esempio, Raspbian) sui computer a scheda singola dei robot.
  2. Durante ogni esperimento, eseguire il protocollo software su ogni robot in parallelo, abilitando il loro comportamento autonomo distribuito (vedi Wahby et al.14, per pseudocodice e ulteriori dettagli).
  3. Stabilire due possibili stati per il robot: uno stato di stimolo durante il quale il robot emette luce blu all'intensità sopra descritta; l'altro è uno stato dometrato durante il quale il robot non emette luce o emette luce rossa come descritto sopra.
    1. In stato di stimolo, inviare un segnale di modulazione della larghezza dell'impulso (PWM) tramite il computer a scheda singola con una frequenza corrispondente alla luminosità richiesta ai driver LED blu.
    2. In stato domeggiante, non attivare i LED, o se necessario inviare un segnale PWM solo ai driver LED rossi.
  4. Negli esperimenti di controllo, assegnare a tutti i robot lo stato dodicano.
  5. Negli esperimenti a decisione singola, assegnare a un robot lo stato dodicano e uno allo stato di stimolo.
  6. Negli esperimenti a decisioni multiple, avviare il processo di inizializzazione, come indicato di seguito.
    1. Fornire a ogni robot una mappa di configurazione completa del modello di crescita delle piante da testare nell'esperimento corrente.
    2. Impostare la posizione del robot all'interno del modello, utilizzando automaticamente i sensori di localizzazione o manualmente.
    3. Confrontare la posizione del robot con la mappa fornita. Se la posizione del robot è la prima posizione sulla mappa, impostare il robot a stimolo; in caso contrario, impostare il robot su doormant. Il processo di inizializzazione termina.
  7. Negli esperimenti a più decisioni, avviare il processo di sterzo, come indicato di seguito. Eseguire in modo iterativo.
    1. Controllare la lettura del sensore di prossimità IR del robot per vedere se è stata rilevata una pianta.
    2. Se viene rilevata una pianta e il robot è impostato su domeggiato, quindi mantenere.
    3. Se viene rilevata una pianta e il robot è impostato su stimolo, allora:
      1. Informare i robot adiacenti adiacenti che una pianta è stata rilevata e includere la posizione del robot nel messaggio.
      2. Impostare il robot su domendo.
      3. Confrontare la posizione del robot con la mappa. Se il robot si trova nell'ultima posizione sulla mappa, invia un segnale sulla WLAN che indica che l'esperimento è completo.
    4. Controllare i messaggi in arrivo del robot dai suoi robot vicini adiacenti per vedere se uno di loro che è stato impostato per stimolo ha rilevato una pianta.
    5. Se un vicino di stimolo ha rilevato una pianta, confrontare la posizione del vicino con la posizione del robot e anche confrontarlo con la mappa.
    6. Se il robot si trova nella posizione successiva sulla mappa, impostare il robot su stimolo.
    7. Terminare il ciclo iterativo del processo di sterzo una volta ricevuto un segnale che l'esperimento è completo.

4. Procedura di monitoraggio e manutenzione della salute delle piante

  1. Individuare l'impostazione dell'esperimento in condizioni ambientali controllate, in particolare all'interno senza incidenti luce diurna o altra luce esterna alle condizioni descritte di seguito, con temperatura e umidità dell'aria controllate e con irrigazione controllata del suolo. Monitorare le condizioni con sensori collegati a un microcontrollore o a un computer a scheda singola abilitato per la rete WLAN.
  2. Mantenere la fotosintesi vegetale utilizzando lampade a crescita a LED esterne ai robot e di fronte alla configurazione dell'esperimento.
    1. Utilizzare le lampade a crescita per fornire luce rossa monocromatica alla configurazione, con diodi rossi con emissione di picco a circa 625-650 nm, senza lunghezze d'onda critiche al di fuori dell'intervallo 550-700 nm, ad eccezione di una bassa incidenza di luce blu ambiente se utile per la salute delle specie selezionate. Se è inclusa una bassa incidenza di luce blu ambientale, limitare ai livelli a una frazione molto minore di quelli emessi da un singolo robot.
    2. Fornire i livelli di luce rossa necessari per la salute delle specie selezionate, di solito circa 2000 lumen o più in totale.
    3. Orientare le lampade di crescita per affrontare l'impostazione dell'esperimento, in modo che la loro emissione sia distribuita approssimativamente in modo uniforme sull'area di crescita.
    4. Monitorare le condizioni della luce ambientale utilizzando un sensore di colore RGB.
  3. Dopo la germinaggio, fornire ad ogni pianta il proprio vaso alla base della configurazione dell'esperimento. Fornire il volume e il tipo di terreno adatto per le specie selezionate. Assicurarsi che il suolo e i semi siano stati disinfettati prima della germinazione. Utilizzare metodi di controllo dei parassiti adatti per prevenire o gestire gli insetti, se presenti.
  4. Regolare la temperatura dell'aria e i livelli di umidità, di conseguenza per la specie selezionata, utilizzando riscaldatori, condizionatori d'aria, umidificatori e deumidizzatori. Monitora i livelli utilizzando un sensore pressione-umidità.
  5. Monitorare il terreno utilizzando un sensore di umidità del suolo. Mantenere un tasso di irrigazione appropriato per la specie selezionata. Eseguire utilizzando un sistema di irrigazione automatizzato in cui l'acqua viene consegnata al suolo tramite ugelli come attivato dalle letture del sensore di umidità del suolo, o acqua del suolo manualmente, come regolato dalle letture del sensore.

5. Progettazione dell'esperimento

  1. Posizionare robot e supporti meccanici in una griglia sufficientemente grande da coprire l'area di crescita e il modello in fase di test nell'esperimento, non più piccolo di una riga e due colonne di robot.
  2. Sotto la fila inferiore dei robot, posizionare una fila dei supporti meccanici diagonali standard, corrispondenti a quelli in tutta la configurazione. Dove le estremità inferiori di questi supporti si intersecano, uniscile meccanicamente con un 'y-joint'. Per ogni "y-joint" alla base dell'installazione, piantare un numero uniforme di piante in base alle dimensioni della cella di griglia diagonale (circa un impianto per 10 cm di lunghezza di supporto meccanico esposto), con le condizioni di mantenimento della salute dell'impianto descritte sopra.
  3. Selezionare un tipo di esperimento da eseguire e, se del caso, selezionare una quantità e una distribuzione dei robot.
    1. Tipo di esperimento 1: controllo
      NOTA: Questo tipo di esperimento testa la crescita delle piante rampicanti in condizioni assenti da stimoli luminosi per innescare il fototropismo. Può essere eseguito su qualsiasi dimensione e forma di setup.
      1. Assegnare a tutti i robot lo stato dodicano (vedere il passaggio 3.4) e di essere eseguiti in modo continuo fino a quando i risultati non vengono valutati manualmente come completati.
      2. Osservare se le piante si attaccano ai supporti meccanici. In un esperimento di successo, nessuna delle piante troverà o attaccherà ai supporti meccanici.
    2. Tipo di esperimento 2: decisione singola
      NOTA: Questo tipo di esperimento testa le traiettorie di crescita delle piante quando vengono presentate le opzioni binarie, un supporto che porta a un robot dodolo e un supporto che porta a un robot di stimolo. Viene eseguito solo nella configurazione minima (ad esempio, una riga, due colonne).
      1. Assegnare a un robot lo stato dodicano (vedi 3.5) e uno allo stato di stimolo. Esegui continuamente fino a quando uno dei due robot rileva una pianta con il sensore di prossimità A IR.
      2. Osservare l'attaccamento delle piante al supporto meccanico, la crescita lungo il supporto e le letture dei sensori del robot di stimolo. In un esperimento di successo, il robot con lo stato di stimolo rileverà una pianta dopo che era cresciuta lungo il rispettivo supporto.
    3. Tipo di esperimento 3: decisione multipla
      NOTA: Questo tipo di esperimento testa la crescita delle piante quando viene presentata con più condizioni di stimoli successivi, che innescano una serie di decisioni secondo una mappa globale predefinita. Può essere eseguito su qualsiasi dimensione e forma di impostazione che ha più del numero minimo di righe (cioè due o più).
      1. Fornire ai robot una mappa globale del modello da coltivare (vedere i passaggi 3.6-3.7.7).
      2. Osservare gli eventi di fissaggio della pianta e il modello di crescita lungo i supporti meccanici.
        1. In un esperimento di successo, almeno una pianta sarà cresciuta su ogni supporto presente nella mappa globale.
        2. Inoltre, in un esperimento riuscito nessun impianto avrà scelto la direzione errata quando la sua punta di crescita si trova nel punto di decisione attualmente attivo.
        3. Non prendere in considerazione suggerimenti di crescita estranei qui, se ad esempio un evento di ramificazione pone una nuova punta crescente in una posizione obsoleta sulla mappa.

6. Procedura di registrazione

  1. Memorizza i dati da sensori e telecamere inizialmente sul computer a scheda singola in cui i dati sono stati generati a bordo. Eseguire server di risposta a bordo che rispondono alle richieste necessarie, ad esempio l'ultima lettura del sensore archiviata. A intervalli regolari, caricare i file di dati e di log tramite WLAN in un dispositivo NAS (Network Attached Storage) locale.
  2. Cattura continuamente i video time-lapse degli esperimenti utilizzando telecamere posizionate in due o più punti di osservazione, con almeno una vista della telecamera che comprende l'intera configurazione dell'esperimento. Assicurarsi che le immagini catturate siano di risoluzione sufficientemente elevata da catturare adeguatamente i movimenti delle punte di crescita dell'impianto, in genere solo pochi millimetri di larghezza.
    1. Automatizza il processo di acquisizione delle immagini per garantire intervalli di tempo coerenti tra le acquisizioni, utilizzando una fotocamera integrata su un computer a scheda singola o una fotocamera digitale autonoma automatizzata con un intervallo. Installare lampade per agire come lampi, automatizzati in modo simile alle telecamere. Assicurarsi che i flash siano abbastanza luminosi da competere con la luce rossa delle lampade di crescita senza post-elaborare drasticamente le immagini per la correzione del colore.
    2. Individuare i flash in modo che la configurazione dell'esperimento possa essere completamente illuminata e quindi chiaramente visibile nelle immagini. Sincronizzare le telecamere ei flash in modo che tutte le telecamere catturare le immagini contemporaneamente, durante un periodo flash 2 s. Cattura le immagini ogni 2 minuti, per la durata di ogni esperimento.
  3. Registrare i dati del sensore ambientale, in particolare le letture dal sensore temperatura-pressione-umidità, il sensore di colore RGB e il sensore di umidità del suolo. Registra i dati di tutti i robot nella configurazione, in particolare il sensore di prossimità IR e le letture del fotoresistor, nonché lo stato interno del robot che ne definisce lo stato di emissione LED.
  4. Rendere disponibili tutti i dati registrati per il monitoraggio remoto degli esperimenti, tramite rapporti regolari in tempo reale, per garantire che vengano mantenute condizioni corrette per l'intera durata dell'esperimento fino a diversi mesi.

Representative Results

Controllo: Comportamento delle piante senza stimoli robotici.
A causa della mancanza di luce blu (cioè, tutti i robot sono donti),il fototropismo positivo non viene attivato nella pianta. Pertanto, le piante mostrano una crescita verso l'alto imparziale mentre seguono il gravitrofismo. Mostrano anche la tipica circoncisa (ad esempio, avvolgimento), vedere la figura 4A. Come previsto, le piante non riescono a trovare il supporto meccanico che porta ai robot dodolati. Le piante collassano quando non possono più sostenere il proprio peso. Interrompiamo gli esperimenti quando almeno due piante collassano, vedere Figura 4B,C.

Decisioni singole o multiple: comportamento delle piante con stimoli robotici
In quattro esperimenti a decisione singola, due piste hanno sterzo verso sinistra (cioè, il robot a sinistra della biforcazione viene attivato allo stimolo),e due piste hanno lo sterzo verso destra. I robot di stimolo guidano con successo le piante verso il supporto corretto, vedere Figura 5. La pianta più vicina con l'angolo del gambo più simile a quella del supporto corretto si attacca per prima. In ogni esperimento, almeno una pianta si attacca al supporto e lo sale fino a raggiungere il robot di stimolo e quindi termina l'esperimento. In un esperimento, un secondo impianto si collega al supporto corretto. Le piante rimanenti potrebbero essere collegate anche in durate di esperimento più lunghe. Nessuna delle piante si collega al supporto errato. Ogni esperimento viene eseguito in modo continuo per 13 giorni in media.

In due esperimenti a più decisioni, le piante diventano un modello a zig-zag predefinito, vedere la figura 6A. Ogni esperimento dura circa sette settimane. All'avvio di un esperimento, un robot imposta il suo stato su stimolo (vedi 3.6.3) e guida le piante verso il supporto corretto secondo il modello stabilito. Un impianto lo attacca e lo arrampica, arrivando al robot di stimolo attivato completando così la prima decisione. Secondo 3.7.3, l'attuale robot di stimolo diventa quindi domendo e notifica ai suoi vicini adiacenti. Il vicino dodolo che si trova accanto sul motivo a zig-zag si trasforma in stimolo (vedi 3.7.6). Se una pianta viene rilevata da un robot dometrato, tale robot non reagisce (vedi 3.7.2). Gli impianti continuano e completano con successo le restanti tre decisioni. Il modello a zig-zag predefinito è quindi completamente cresciuto, vedere Figura 6B.

Tutti i dati dell'esperimento, così come i video, sono disponibili online24.

Figure 1
come illustrato nella Figura 1. Il robot immobile e i suoi componenti primari. Figura ristampata dalla pubblicazione dell'autore Wahby et al.14, utilizzata con licenza Creative Commons CC-BY 4.0 (vedi file supplementari), con modifiche come consentito dalla licenza. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
come illustrato nella Figura 2. Il diagramma dei componenti dell'elettronica del robot immobile. I driver LED IRLML2060 sono interfacciati con il computer a scheda singola del robot (ad esempio Raspberry Pi) tramite PWM per controllare la luminosità dei LED. Un interruttore LP5907 è interfacciato con il computer a scheda singola tramite pin di intestazione GPIO (input/output) generico, per controllare la ventola. Un convertitore MCP3008 analogico-digitale (ADC) è interfacciato con il computer a scheda singola tramite SPI (Serial Ipheral Interface) per leggere i dati analogici del sensore IR e del resistore dipendente dalla luce (LDR). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
come illustrato nella figura 3. Poco dopo il '03.04.16', una punta di pianta sale un supporto e arriva nel campo visivo del robot. (A) Campione di letture di tensione in scala (asse verticale) del sensore di prossimità IR (asse verticale) durante un esperimento. Valori più elevati indicano il rilevamento della punta dell'impianto. (B) Il sensore di prossimità dell'IR è posizionato e orientato in base all'attacco di supporto, per garantire un efficace rilevamento delle punta dell'impianto. Figura ristampata dalla pubblicazione dell'autore Wahby et al.14, utilizzata con licenza Creative Commons CC-BY 4.0 (vedi file supplementari), con modifiche come consentito dalla licenza. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
come illustrato nella Figura 4. Gli esperimenti di controllo hanno risultato fotogrammi che dimostrano che tutte e quattro le piante non si sono attaccate ad alcun supporto in assenza di luce blu. (A) Dopo cinque giorni, tutte le piante crescono verso l'alto in uno degli esperimenti di controllo (vedi (C) per la successiva condizione di crescita). (B) Dopo 15 giorni, tre piante sono collassate e una continua a crescere nel primo esperimento di controllo. (C) Dopo sette giorni, due piante sono collassate e due sono ancora in crescita nel secondo esperimento di controllo (cfr. (A) per le precedenti condizioni di crescita). Figura ristampata dalla pubblicazione dell'autore Wahby et al.14, utilizzata con licenza Creative Commons CC-BY 4.0 (vedi file supplementari), con modifiche come consentito dalla licenza. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 5
come illustrato nella Figura 5. Gli esperimenti a decisione singola indicano la capacità di un robot di stimolo di guidare le piante attraverso una decisione binaria, per scalare il supporto corretto. In tutti e quattro gli esperimenti, un robot è impostato su stimolo e l'altro su dondo-a due lati opposti di una giunzione. I telai mostrano la posizione delle piante proprio prima che il robot di stimolo le rilevi. In ogni esperimento almeno un impianto si attacca al supporto corretto e nessun impianto si attacca a quello errato. Inoltre, le piante non supportate mostrano una crescita di parte verso il robot di stimolo. E, F, G, H sono primi piano rispettivamente di A, B, C, D. Figura ristampata dalla pubblicazione dell'autore Wahby et al.14, utilizzata con licenza Creative Commons CC-BY 4.0 (vedi file supplementari), con modifiche come consentito dalla licenza. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 6
come illustrato nella Figura 6. Esperimento multi-decisione. (A) Il modello a zig-zag mirato è evidenziato in verde sulla mappa. (B) L'ultimo fotogramma dell'esperimento (dopo 40 giorni), che mostra la situazione delle piante prima che l'ultimo robot di stimolo sul modello le rilevi. I robot crescono con successo il modello a zig-zag. Figura ristampata dalla pubblicazione dell'autore Wahby et al.14, utilizzata con licenza Creative Commons CC-BY 4.0 (vedi file supplementari), con modifiche come consentito dalla licenza. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Discussion

La metodologia presentata mostra i primi passi verso l'automazione dello sterzo guidato dagli stimoli della crescita delle piante, per generare modelli specifici. Ciò richiede il continuo mantenimento della salute delle piante, combinando in un unico esperimento la configurazione dei regni distinti delle risposte alla crescita biochimica e ha progettato le funzioni meccatroniche di rilevamento, comunicazione e generazione controllata di stimoli. Poiché la nostra attenzione qui è sulle piante rampicanti, anche il supporto meccanico è parte integrante. Una limitazione della configurazione attuale è la sua scala, ma crediamo che la nostra metodologia sia facilmente scalabile. Lo scaffold meccanico può essere esteso per configurazioni più grandi e quindi periodi di crescita più lunghi, che consente anche configurazioni e modelli espansi. Qui l'impostazione è limitata a due dimensioni e le decisioni binarie da sinistra-destra, poiché la crescita è limitata a una griglia di supporti meccanici con un'inclinazione di 45 gradi e le posizioni decisionali dell'impianto sono limitate alle biforcazioni di quella griglia. Le estensioni meccaniche possono includere impalcature 3D e materiali diversi, per consentire forme complesse9,19. La metodologia può essere considerata un sistema per far crescere automaticamente i modelli definiti da un utente. Estendendo la possibile complessità delle configurazioni meccaniche, gli utenti devono affrontare poche restrizioni sui modelli desiderati. Per tale applicazione, uno strumento software utente dovrebbe confermare che il modello è producibile, e la meccatronica dovrebbe quindi auto-organizzare la produzione del modello generando stimoli appropriati per guidare le piante. Il software dovrebbe anche essere esteso per includere piani di recupero e politiche che determinano come continuare la crescita se il modello pianificato originale è parzialmente fallito, ad esempio se il primo robot attivato non ha mai rilevato una pianta, ma quelli dodori hanno visto che la posizione delle punte di crescita sono al di là del robot attivato.

Nella metodologia presentata, un esempio di specie vegetali che soddisfano i criteri di selezione del protocollo è il favo comune di arrampicata, P. vulgaris. Questa è la specie utilizzata nei risultati rappresentativi. Poiché P. vulgaris ha un forte fototropismo positivo ai raggi UV-A e alla luce blu, le fototropine (proteine del recettore della luce) nella pianta assorbiranno i fotoni corrispondenti alle lunghezze d'onda 340-500 nm. Quando i recettori vengono attivati, il primo gonfiore si verificherà nel gambo dal trasferimento preferenziale dell'acqua ai tessuti staminali che si oppongono ai recettori innescati, causando una risposta direzionale reversibile. Quindi, all'interno dello stelo, l'auxina (ormone del modello vegetale) è diretta alla stessa posizione del tessuto, perpetuando la risposta direzionale e fissando i tessuti staminali man mano che si irrigidiscono. Questo comportamento può essere utilizzato per modellare le piante in queste condizioni interne controllate, in quanto le piante sono esposte solo alla luce blu isolata e alla luce rossa isolata, con luce lontana rossa da sensori di prossimità iR a livelli sufficientemente bassi che non interferisce con comportamenti come la risposta ombra-evitamento20,21. La reazione al fototropismo nella pianta risponde nella configurazione alla luce da diodi blu con picco di emissione , max , e la fotosintesi22,23 nella pianta è supportata da diodi rossi con picco di emissione smax 650 nm. P. vulgaris crescere fino a diversi metri di altezza è adatto nella configurazione complessiva, come il circa 3 L di terreno da giardinaggio commerciale necessario per pentola si adatta alla scala di installazione.

Anche se l'attuale configurazione si concentra sulla luce come stimolo di attrazione, ulteriori stimoli possono essere rilevanti per altri tipi di esperimento. Se il modello desiderato richiede una separazione tra diversi gruppi di piante (ad esempio, il modello desiderato ha bisogno di due gruppi di piante per scegliere lati opposti), allora potrebbe non essere fattibile utilizzando un solo tipo di stimolo. Per tali modelli di crescita complessi indipendenti dalla forma dell'impalcatura, i diversi gruppi di piante possono potenzialmente essere coltivati in periodi di tempo diversi in modo che i rispettivi stimoli di attrazione non interferiscano, il che consentirebbe anche l'integrazione della ramificazione Eventi. Tuttavia, questa potrebbe non essere sempre una soluzione adatta, e lo stimolo leggero attraente standard potrebbe quindi essere aumentato respingendo influenze come l'ombreggiatura, o da altri stimoli come la luce di gran lunga o i motori a vibrazione9,14.

Il metodo presentato e la progettazione dell'esperimento sono solo un primo passo verso una metodologia sofisticata per influenzare automaticamente la crescita direzionale delle piante. La configurazione dell'esperimento è fondamentale determinando solo una sequenza di decisioni binarie nelle piante e ci concentriamo su uno stimolo facile da gestire. Sarebbero necessari ulteriori studi per dimostrare la rilevanza statistica del metodo, per aggiungere più stimoli e per controllare altri processi come la diramazione. Con uno sviluppo sufficiente a garantire l'affidabilità a lungo termine dei robot, la metodologia presentata potrebbe consentire l'automazione degli esperimenti delle piante per lunghi periodi di tempo, riducendo l'overhead associato allo studio delle fasi di sviluppo dell'impianto al di là di quella dei germogli. Metodi simili possono consentire future indagini sulle dinamiche poco esplorate tra organismi biologici e robot autonomi, quando i due agiscono come sistemi bio-ibridi auto-organizzanti strettamente accoppiati.

Disclosures

Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari concorrenti.

Acknowledgments

Questo studio è stato sostenuto da un progetto flora robotica che ha ricevuto finanziamenti dal programma di ricerca e innovazione Orizzonte 2020 dell'Unione europea nell'ambito dell'accordo di sovvenzione FET, n. 640959. Gli autori ringraziano Anastasios Getsopulos ed Ewald Neufeld per il loro contributo nell'assemblaggio dell'hardware, e Tanja Katharina Kaiser per il suo contributo nel monitoraggio degli esperimenti sulle piante.

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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