Sensoriamento robótico e provisão de estímulos para crescimento de plantas guiadas

Engineering
 

Summary

Os nós de robôs distribuídos fornecem sequências de estímulos de luz azul para orientar as trajetórias de crescimento das plantas de escalada. Ao ativar o fototropismo natural, os robôs orientam as plantas através de decisões binárias de esquerda-direita, crescendo-as em padrões predefinidos que, por contraste, não são possíveis quando os robôs estão inativos.

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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

Os sistemas robóticas são ativamente pesquisados para a manipulação de plantas naturais, tipicamente restritas a atividades de automação agrícola como colheita, irrigação e controle mecânico de ervas daninhas. Estendendo esta pesquisa, apresentamos aqui uma nova metodologia para manipular o crescimento direcional das plantas através de seus mecanismos naturais para sinalização e distribuição hormonal. Uma metodologia efetiva da provisão de estímulos robóticos pode abrir possibilidades para novas experimentações com fases de desenvolvimento posteriores em plantas, ou para novas aplicações de biotecnologia, como moldar plantas para paredes verdes. A interação com plantas apresenta vários desafios robóticos, incluindo sensoriamento de curto alcance de órgãos vegetais pequenos e variáveis, e a atuação controlada de respostas de plantas que são impactadas pelo meio ambiente, além dos estímulos fornecidos. A fim de orientar o crescimento das plantas, desenvolvemos um grupo de robôs imóveis com sensores para detectar a proximidade de pontas crescentes, e com diodos para fornecer estímulos leves que actuam phototropism. Os robôs são testados com o feijão de escalada comum, Phaseolus vulgariss, em experimentos com durações de até cinco semanas em um ambiente controlado. Com robôs emitindo sequencialmente emissão de luz azul-pico no comprimento de onda 465 nm-o crescimento da planta é dirigido com sucesso através de decisões binárias sucessivas ao longo de suportes mecânicos para alcançar posições alvo. Os testes padrões de crescimento são testados em uma instalação até 180 cm na altura, com as hastes da planta crescidas até aproximadamente 250 cm no comprimento cumulativo durante um período de aproximadamente sete semanas. Os robôs coordenam-se e operam-se inteiramente autonomamente. Detectam pontas de aproximação da planta por sensores infravermelhos da proximidade e comunicam-se através do rádio para comutar entre estímulos claros azuis e status adormecido, como exigido. Globalmente, os resultados obtidos suportam a eficácia da combinação de metodologias de experimentos com robôs e plantas, para o estudo de interações potencialmente complexas entre sistemas autônomos naturais e projetados.

Introduction

Congruente com a crescente prevalência de automação na fabricação e produção, os robôs estão sendo utilizados para semear, tratar e colher plantas1,2,3,4,5. Utilizamos tecnologia robótica para automatizar experimentos de plantas de forma não invasiva, com o objetivo de fazer o crescimento da direção através de respostas direcionais a estímulos. As práticas de jardinagem tradicionais incluíram o molde manual das árvores e dos arbustos pela contenção mecânica e pelo corte. Apresentamos uma metodologia que pode, por exemplo, ser aplicada a esta tarefa de conformação, através de padrões de crescimento de direção com estímulos. Nossa metodologia apresentada é também um passo para experimentos de plantas automatizadas, aqui com um foco específico em fornecer estímulos leves. Uma vez que a tecnologia se tornou robusta e confiável, esta abordagem tem potencial para reduzir os custos em experimentos de plantas e para permitir novas experiências automatizadas que seriam inviáveis devido à sobrecarga no tempo e trabalho manual. Os elementos robóticos são livremente programáveis e atuam autonomamente, pois estão equipados com sensores, atuadores para provisão de estímulos e microprocessadores. Enquanto nós nos concentramos aqui na detecção de proximidade (ou seja, medindo distâncias a curta distância) e estímulos leves, muitas outras opções são viáveis. Por exemplo, sensores podem ser usados para analisar a cor da planta, para monitorar a atividade bioquímica6, ou para phytosensing7 abordagens para monitorar, por exemplo, as condições ambientais através da electrofisiologia da planta8. Da mesma forma, as opções do atuador podem fornecer outros tipos de estímulos9, através de motores de vibração, dispositivos de pulverização, aquecedores, ventiladores, dispositivos de sombreamento ou manipuladores para contato físico direcionado. Estratégias de atuação adicionais poderiam ser implementadas para proporcionar uma mobilidade lenta para os robôs (ou seja, ' bots lentos '10), de tal forma que eles pudessem mudar gradualmente a posição e direção a partir da qual eles fornecem estímulos. Além disso, como os robôs estão equipados com computadores de placa única, eles poderiam executar processos mais sofisticados, como visão para fenotipagem de plantas11 ou controladores de rede neural artificial para a atuação de estímulos12. Como o foco da pesquisa de ciência vegetal é muitas vezes sobre o crescimento precoce (ou seja, em brotos)13, todo o domínio do uso de sistemas de robôs autônomos para influenciar plantas em períodos mais longos parece subexplorado e pode oferecer muitas oportunidades futuras. Indo ainda mais um passo, os elementos robóticos podem ser vistos como objetos de pesquisa, permitindo o estudo da complexa dinâmica de sistemas bihíbridos formados por robôs e plantas intimamente interagindo. Os robôs impõem seletivamente estímulos sobre as plantas, as plantas reagem de acordo com seu comportamento adaptativo e mudam seu padrão de crescimento, que é posteriormente detectado pelos robôs através de seus sensores. Nossa abordagem fecha o loop de feedback comportamental entre as plantas e os robôs e cria um loop de controle homeostático.

Em nossos experimentos para testar a função do sistema robô, usamos exclusivamente o feijão de escalada comum, Phaseolus vulgariss. Neste setup, nós usamos plantas de escalada, com sustentações mecânicas em um andaime gridded da altura total 180 cm, tais que as plantas são influenciadas pelo Tigmotropismo e têm um jogo limitado de sentidos do crescimento a escolher de. Dado que queremos moldar toda a planta durante um período de semanas, usamos estímulos de luz azul para influenciar o fototropismo da planta Macroscopicamente, durante diferentes períodos de crescimento, incluindo brotos jovens e mais tarde endurecimento da haste. Conduzimos os experimentos em condições de luz ambiente totalmente controladas, onde além dos estímulos de luz azul, fornecemos luz exclusivamente vermelha, com pico de emissão no comprimento de onda 650 nm. Quando eles atingem uma bifurcação na grade de suporte mecânico, eles fazem uma decisão binária se a crescer à esquerda ou à direita. Os robôs são posicionados nestas bifurcações mecânicas, separadas por distâncias de 40 cm. Eles ativam e desativam autonomamente sua emissores de luz azul, com emissão de pico no comprimento de onda 465 nm, de acordo com um mapa predefinido do padrão de crescimento desejado (neste caso, um padrão em ziguezague). Desta maneira, as plantas são guiadas da bifurcação à bifurcação em uma seqüência definida. Apenas um robô é ativado em um determinado momento-durante o qual emite luz azul enquanto monitora autonomamente o crescimento da planta no suporte mecânico abaixo dele. Uma vez que detecta uma ponta crescente usando seus sensores infravermelhos da proximidade, deixa de emitir a luz azul e comunica-se a seus robôs vizinhos através do rádio. O robô que se determina a ser o próximo alvo na seqüência, em seguida, ativa subsequentemente, atraindo o crescimento da planta em direção a uma nova bifurcação mecânica.

Como nossa abordagem incorpora ambos os mecanismos projetados e naturais, nossos experimentos incluem vários métodos que operam simultaneamente e de forma interdependente. O protocolo aqui é organizado pela primeira vez de acordo com o tipo de método, cada um dos quais deve ser integrado em uma configuração de experimento unificada. Estes tipos são seleção de espécies de plantas; projeto do robô que inclui o hardware e os mecânicos; software robô para comunicação e controle; e a monitorização e manutenção da fitossanidade. O protocolo prossegue com o experimento, seguido pela coleta e gravação de dados. Para obter detalhes completos dos resultados obtidos até o momento, ver Wahby et al.14. Os resultados representativos abrangem três tipos de experimentos — experimentos de controle em que todos os robôs não fornecem estímulos (ou seja, estão inativos); experimentos de decisão única em que a planta faz uma escolha binária entre um robô que fornece estímulos e um que está inativo; e experimentos de múltipla decisão onde a planta navega uma seqüência de opções binárias para crescer um padrão predefinido.

Protocol

1. procedimento de seleção das espécies vegetais

Nota: Este protocolo centra-se nos comportamentos da planta relacionados à escalada, respostas direcionais à luz, e a saúde e a sobrevivência das plantas na estação específica, na posição, e nas circunstâncias experimentais.

  1. Selecione uma espécie de planta sabida para indicar o fototropismo positivo forte15,16 para UV-a e luz azul (340 – 500 nanômetro) nas pontas crescentes.
  2. Selecione uma espécie que é um enrolador, em que o comportamento circumnutation17 é pronunciado e a ponta crescente tem trajetórias helicoidais com grande amplitude suficiente para enrolar em torno dos suportes mecânicos utilizados nas condições experimentais específicas. O comportamento do Twining18 exibido pelo enrolador selecionado deve tolerar o ambiente e as condições de nutrientes presentes no experimento e deve tolerar suportes mecânicos com ângulo de inclinação de até 45 °.
  3. Selecione uma espécie que crescerá de forma confiável e rápida nas condições experimentais, com uma velocidade média de crescimento não inferior a aproximadamente 5 cm por dia, e preferencialmente mais rápido se possível.
  4. Selecione uma espécie que exibirá os comportamentos necessários na época atual e na localização geográfica.
  5. Garantir que a espécie tolera a gama de parâmetros ambientais que estarão presentes na configuração experimental. A planta deve tolerar uma ausência de luz verde e uma ausência de luz fora do espectro visível (400 – 700 nm). A planta deve igualmente tolerar todas as flutuações atuais na temperatura, mantidas em aproximadamente 27 ° c, assim como todas as flutuações atuais na umidade e na rega.

2. condições e projeto do robô

  1. Organize as capacidades dos robôs em nós descentralizados com computadores de placa única (veja a Figura 1 e a Figura 2), integrados em suportes mecânicos modulares. Assegure-se de que cada nó robô idêntico seja capaz de controlar e executar seu próprio comportamento.
  2. Para a provisão robótica de estímulos às plantas, forneça a luz azul (400 – 500 nanômetro) às plantas em intervalos verificáveis, em uma intensidade que dispare sua resposta phototropic, da direção e da orientação exigidas para a parcela respectiva do experimento .
    1. Selecione um diodo emissor de luz vermelho-verde-azul (RGB) (LED) ou um LED azul isolado. Em ambos os casos, inclua um LED com um diodo azul com pico de emissão ƛMax = 465 nm.
    2. Selecione um LED que, quando congregado em grupos e definido nas condições precisas do robô utilizado, pode manter o nível de intensidade de luz exigido em cada direção testada na configuração do experimento. Para cada sentido que está sendo testado, assegure-se de que os diodos azuis nos diodos emissores de luz em um único robô sejam coletivamente capazes de manter um nível da intensidade luminosa de aproximadamente 30 lúmens sem superaquecimento, quando situados no cerco utilizado do robô e em qualquer utilizado estratégias de dissipação de calor. O LED seleccionado deve ter um ângulo de visão de aproximadamente 120 °.
      Nota: por exemplo, em um robô que utiliza três LEDs por direção, com regulação de intensidade habilitada para microcontroladores, se os diodos azuis emitem com intensidade de luz máxima Φ = 15 lúmens, então sem superaquecimento eles devem ser capazes de manter 65% do máximo.)
    3. Interface dos LEDs para o computador do robô de placa única, através de drivers LED que regulam a fonte de alimentação de acordo com o brilho exigido. Ative o controle individual, de cada LED ou dos grupos de LED que atendem a cada direção que está sendo testada na configuração.
  3. Para o procedimento de detecção para a proximidade de pontas crescentes da planta (veja Figura 3B), use leituras processadas dos sensores infravermelhos da proximidade (ir-proximidade) para detectar confiantemente e autonomamente a presença de plantas que aproximam-se de cada sentido testado na configuração.
    1. Selecione um sensor de proximidade de infravermelho que detecte regularmente a ponta crescente das espécies vegetais selecionadas, quando dispostas perpendicularmente ao eixo central da direção a partir da qual a planta se aproxima, como testado em um ambiente sem obstruções. Assegure-se de que a detecção bem-sucedida ocorra a partir de uma distância de 5 cm, como visto na Figura 3a iniciando no carimbo de data/hora rotulado como ' 07.04.16 ' no eixo horizontal.
    2. Interface de cada sensor de proximidade de IR para o computador de placa única do robô, e implementar uma abordagem média aritmética ponderada para processar as leituras do sensor em uma determinação de se uma planta está presente dentro de 5 cm. Use as leituras do sensor a partir do mais recente cinco s para dar 20% do peso médio final utilizado na detecção.
    3. Assegure-se de que o sensor de proximidade de infravermelho selecionado não emita comprimentos de onda críticos que possam interferir nos comportamentos leves das espécies selecionadas. Assegure-se de que os comprimentos de onda emitidos pelo sensor abaixo de 800 nm não estejam presentes a distâncias superiores a 5 mm da fonte de infravermelho do sensor, conforme medido por espectrómetro.
  4. Distribua as funções do experimento sobre o conjunto de robôs, de forma que cada robô possa gerenciar autonomamente as porções que prosseguem em sua própria área local. Organize a provisão de estímulos leves e capacidades de sensoriamento dos robôs de acordo com as respectivas direções de crescimento vegetal que estão sendo testadas.
    1. Compor cada robô em torno de um computador de placa única que é Wireless Local Area Network (WLAN) habilitado. Interface do computador para sensores e atuadores através de uma placa de circuito impresso personalizado (PCB). Ligue cada robô individualmente, com seu próprio backup de bateria.
    2. Inclua um sensor da IR-proximidade por o sentido que está sendo testado para as plantas de aproximação, de acordo com as exigências acima.
    3. Inclua diodos emissores de luz suficientes para entregar as exigências claras acima do azul, por a direção que está sendo testada para plantas de aproximação.
      1. Se usar LEDs RGB em vez de LEDs azuis, opcionalmente, ative a emitância do diodo vermelho quando o diodo azul não estiver em uso, para aumentar a entrega da luz vermelha descrita abaixo (para a saúde da planta através do apoio da fotossíntese).
      2. Se a luz vermelha é emitida dos robôs em determinados intervalos, a seguir use diodos vermelhos com emissão máxima em aproximadamente ƛMax = 625 – 650 nanômetro, sem os comprimentos de onda críticos que sobrepõem a faixa verde (isto é, abaixo de 550 nanômetro) ou a faixa far-Red (isto é, acima de 700 nanômetro).
      3. Não permita que os díodos vermelhos produzam níveis de calor superiores aos dos diodos azuis.
    4. Inclua hardware que permita pistas locais entre robôs. Inclua um fotororesistor (isto é, resistor Light-dependent ou LDR) para cada sentido de um robô vizinho para monitorar seu status da emitância clara. Alternativamente, comunique o status de vizinhos locais através de WLAN.
    5. Inclua o hardware para dissipar o calor, conforme exigido pelas condições dos diodos azuis selecionados e pelo invólucro do robô utilizado. Execute por uma combinação de dissipadores de calor de alumínio, aberturas no cerco do caso do robô, e ventiladores. Ative os ventiladores por um sensor de temperatura digital no computador de placa única ou no PCB suplementar.
    6. Organize os componentes do robô de modo que as direções relevantes sejam uniformemente atendidas.
      1. Posicione os diodos azuis para distribuir uma intensidade de luz equivalente a cada uma das direções a partir das quais as plantas podem se aproximar (ou seja, das sustentações mecânicas anexadas à metade inferior do robô, ver etapa 2,5). Oriente cada diodo no caso do robô de tal forma que o eixo central de seu ângulo de lente está dentro de 60 ° de cada eixo de suporte mecânico que serviços, e posicioná-lo para não ser bloqueado pelo caso do robô.
      2. Posicione os sensores de proximidade de infravermelho de forma equivalente para suas respectivas direções de crescimento (i.e., das sustentações mecânicas anexadas à metade inferior do robô, consulte a etapa 2,5). Posicione cada sensor de proximidade de infravermelho dentro de 1 cm do ponto de fixação entre o robô e o suporte mecânico que está sendo atendido, e Oriente-o de tal forma que seu ângulo de visão seja paralelo ao eixo de suporte. Assegure-se de que seu emissor e receptor não estejam bloqueados pela caixa do robô.
      3. Posicione quaisquer fotororesistores para comunicação local de forma equivalente para cada direção voltada para um robô vizinho na configuração (ou seja, de todos os suportes mecânicos anexados ao robô, consulte 2,5). Oriente cada Fotoresistor de tal forma que o eixo central do seu ângulo de visão está dentro de 45 ° do eixo de apoio que serviços, e posição para não ser bloqueado pelo caso do robô.
    7. Monte todos os componentes com o computador de placa única (consulte o diagrama de blocos na Figura 2). Verifique se o computador pode ser facilmente acessado para manutenção após a montagem.
      1. LEDs de interface para o computador através de drivers LED usando modulação de largura de pulso. Use uma conexão mecânica fixa entre os LEDs e o caso ou o dissipador de calor, e use uma conexão mecanicamente sem restrições entre os LEDs e o computador.
      2. Ventiladores da relação ao computador através do regulador linear (isto é, interruptor) usando um pino do encabeçamento da entrada/saída do uso geral. Affix os ventiladores onde o fluxo de ar adequado está disponível, ao igualmente assegurar que nenhum esforço mecânico está coloc neles.
      3. Interface ir-sensores de proximidade e fotorresistências via analógico-para-conversor digital, usando serial interface periférica. Use uma conexão mecânica fixa dos sensores ao caso, e uma conexão mecanicamente unrestringida ao computador.
      4. Fabrique a caixa do robô do plástico resistente ao calor usando a sinterização seletiva do laser, o Stereolithography, a modelagem fundida do depósito, ou a modelação por injecção.
  5. Integre os robôs em um conjunto de suportes mecânicos modulares que dualmente segurar os robôs em posição e servir como escalada andaime para as plantas, restringindo as plantas ' prováveis trajetórias de crescimento médio. Projete os robôs para servir como juntas mecânicas suplementares entre os suportes, posicionados de tal forma que eles interceptam as trajetórias de crescimento da planta.
    1. Minimize o tamanho do robô e assegure-se de que ele possa ser superado de forma confiável por uma ponta crescente sem suporte das espécies de plantas selecionadas. Reduza o tamanho do robô na maior extensão possível para aumentar a velocidade da experiência.
    2. Dê forma às paredes externas do corpo do robô para ser tão discreto ao crescimento de planta como possível quando uma ponta crescente navega incrementalmente em torno do robô. Arredonde ou faceta o corpo do robô para não obstruir a trajetória helicoidal do circumnutation em espécies de planta de Twining. Exclua saliências afiadas e indentações agudas.
    3. Selecione um material e um perfil (ou seja, forma de seção transversal) para os suportes mecânicos, de modo que as espécies vegetais selecionadas possam efetivamente escalá-la, por exemplo, uma haste de madeira com perfil circular de um diâmetro de aproximadamente 8 mm ou menos. Assegure-se de que as sustentações mecânicas sejam estruturalmente duras bastante suportar as plantas e os robôs dentro da instalação, aumentada por uma folha acrílica transparente atrás da instalação.
    4. Em cada robô incluem pontos de fixação para ancorar os suportes mecânicos especificados. Inclua um para cada direção pela qual uma planta pode se aproximar ou afastar um robô.
      1. Para cada ponto de fixação, inclua um soquete no estojo do robô, com dimensões correspondentes à seção transversal do material de suporte.
      2. Definir a tomada com uma profundidade não inferior a 1 cm. Mantenha o soquete raso o suficiente para que o suporte não colida com componentes dentro do robô.
    5. Organize as sustentações mecânicas em um teste padrão regularmente gridded, uniformemente diagonal com um ângulo de inclinação em 45 ° ou mais íngreme. Faça os comprimentos do uniforme dos apoios. O comprimento mínimo exposto do suporte é de 30 cm, para permitir espaço suficiente para as plantas de escalada para anexar depois de explorar a área em sua condição sem suporte. O comprimento exposto preferido é 40 cm ou mais, para permitir algum tampão para casos estatisticamente extremos do acessório da planta.
    6. Monte os elementos mecânicos com os robôs. O protocolo a seguir assume um comprimento de suporte exposto de 40 cm e uma configuração de oito robôs em quatro linhas (veja a Figura 6). Para outros tamanhos, dimensione de acordo.
      1. Na superfície do assoalho, construa um carrinho 125 cm largamente que seja capaz de prender a instalação em uma posição ereta.
      2. Afixar um 125 cm x 180 cm folha (8 mm de espessura ou mais) de acrílico transparente para o stand, de tal forma que ele está ereto.
      3. Posicione os potenciômetros com o solo apropriado no carrinho, de encontro à folha acrílica.
      4. Afixe dois y-junções mecânicos à folha acrílica, 10 cm acima dos potenciômetros. Posicione as juntas 45 cm e 165 cm à direita, respectivamente, da borda esquerda do suporte.
      5. Afixe dois apoios à esquerda y-junção, inclinando-se 45 ° à esquerda e à direita, e afixe um apoio à y-junção direita, inclinando-se 45 ° à esquerda.
      6. Afixe dois robôs à folha acrílica, e introduza as extremidades das sustentações previamente colocadas nas tomadas nos casos do robô. Posicione os robôs 35 cm acima das articulações y, e 10 cm e 80 cm para a direita, respectivamente, da borda esquerda do suporte.
      7. Repita o padrão para apor os robôs remanescentes e suporte no padrão de grade diagonal (veja a Figura 6), de tal forma que cada linha de robôs é 35 cm acima da linha anterior, e cada robô é posicionado horizontalmente diretamente acima do robô ou junta y que é duas linhas abaixo dela.

3. software do robô

  1. Instale um sistema operacional (por exemplo, Raspbian) nos computadores de placa única dos robôs.
  2. Durante cada experimento, execute o protocolo de software em cada robô em paralelo, possibilitando seu comportamento autônomo distribuído (veja Wahby et al.14, para pseudocódigo e mais detalhes).
  3. Estabeleça dois Estados possíveis para o robô: sendo um estado de estímulo durante o qual o robô emite luz azul na intensidade descrita acima; o outro é um estado adormecido durante o qual o robô não emite luz ou emite luz vermelha, como descrito acima.
    1. No estado do estímulo , emita um sinal da modulação da largura de pulso (PWM) através do computador da único-placa com uma freqüência que corresponde ao brilho exigido aos excitadores azuis dos diodos emissores de luz.
    2. Em estado inativo , acionar sem LEDs, ou se necessário enviar um sinal PWM para apenas os drivers LEDs vermelhos .
  4. Em experimentos de controle , atribua todos os robôs o estado inativo .
  5. Em experimentos de decisão única, atribua um robô o estado inativo e um robô o estado de estímulo .
  6. Em experimentos de várias decisões , inicie o processo de inicialização , da seguinte maneira.
    1. Forneça a cada robô um mapa de configuração completo do padrão de crescimento vegetal a ser testado no experimento atual.
    2. Defina a localização do robô dentro do padrão, seja usando automaticamente sensores de localização ou manualmente.
    3. Compare a localização do robô com o mapa fornecido. Se a localização do robô for a primeira localização no mapa, defina o robô como estímulo; caso contrário, defina o robô como inativo. Processo de inicialização termina.
  7. Em experimentos de múltiplas decisões , inicie o processo de direção , como a seguir. Executar iterativamente.
    1. Verifique a leitura do sensor de proximidade IR do robô para ver se uma planta foi detectada.
    2. Se uma planta é detectada e o robô é ajustado a inativo, a seguir mantem.
    3. Se uma planta é detectada e o robô é ajustado ao estímulo, a seguir:
      1. Notifique os robôs vizinhos adjacentes que uma planta foi detectada e inclua a localização do robô na mensagem.
      2. Defina o robô como inativo.
      3. Compare a localização do robô com o mapa. Se o robô estiver no último local no mapa, em seguida, enviar um sinal sobre WLAN que o experimento está completo.
    4. Verifique as mensagens recebidas do robô de seus robôs vizinhos adjacentes para ver se um deles que foi definido como estímulo detectou uma planta.
    5. Se um vizinho de estímulo detectou uma planta, compare a localização do vizinho com a localização do robô e também Compare com o mapa.
    6. Se o robô estiver no local subsequente no mapa, defina o robô como estímulo.
    7. Termine o loop iterativo do processo de direção depois que um sinal foi recebido que o experimento está completo.

4. procedimento de monitorização e manutenção da fitossanidade

  1. Localize a configuração do experimento em condições ambientais controladas — especificamente, internas sem luz do dia incidente ou outras luzes externas às condições descritas abaixo, com temperatura e umidade do ar controladas e com rega de solo controlada. Monitore as condições com sensores conectados a um microcontrolador ou computador de placa única que esteja habilitado para WLAN.
  2. Mantenha a fotossíntese vegetal usando lâmpadas de crescimento LED externas aos robôs e enfrentando a configuração do experimento.
    1. Use as lâmpadas de crescimento para entregar a luz vermelha monocromática à instalação, com os diodos vermelhos que têm a emissão máxima em aproximadamente ƛMax = 625 – 650 nanômetro, sem os comprimentos de onda críticos fora da escala 550-700 nanômetro, à exceção de uma baixa incidência da luz azul ambiental se útil para a saúde das espécies selecionadas. Se uma baixa incidência de luz azul ambiente for incluída, restrinja-se aos níveis em uma fração muito menor daquelas emitidas por um único robô.
    2. Forneça os níveis da luz vermelha exigidos para a saúde das espécies selecionadas, geralmente aproximadamente 2000 lúmens ou mais no total.
    3. Oriente as lâmpadas de crescimento para enfrentar a configuração do experimento, de modo que sua emitância é distribuída aproximadamente uniformemente sobre a área de crescimento.
    4. Monitore as condições de luz ambiente usando um sensor de cor RGB.
  3. Após germinar, forneça a cada planta seu próprio potenciômetro na base da instalação do experimento. Forneça o volume e o tipo apropriados do solo para a espécie selecionada. Assegure-se de que o solo e as sementes tenham sido higienizados antes da germinação. Use métodos apropriados do controle de Praga para impedir ou controlar insetos se presente.
  4. Regule a temperatura do ar e os níveis de umidade, de acordo com as espécies selecionadas, usando aquecedores, condicionadores de ar, humidificadores e desumidificadores. Monitore os níveis usando um sensor de temperatura-pressão-umidade.
  5. Monitore o solo usando um sensor de umidade do solo. Manter uma taxa adequada de rega para as espécies selecionadas. Execute usando um sistema de rega automatizado onde a água é entregada ao solo através dos bocais como provocado pelas leituras do sensor da umidade do solo, ou o solo da água manualmente, como regulado pelas leituras do sensor.

5. experimento design

  1. Coloque robôs e suportes mecânicos em uma grade grande o suficiente para cobrir a área de crescimento e o padrão que está sendo testado no experimento, não menor do que uma linha e duas colunas de robôs.
  2. Abaixo da fileira inferior dos robôs, coloque uma fileira dos suportes mecânicos diagonais padrão, combinando aqueles durante todo o setup. Onde as extremidades inferiores desses suportes se cruzam, junte-as mecanicamente com uma ' junta y '. Para cada "junta-y" na base da instalação, plantar um número uniforme de plantas de acordo com o tamanho da célula da grade diagonal (aproximadamente uma planta por 10 cm de comprimento de suporte mecânico exposto), com as condições de manutenção de saúde da planta descritas acima.
  3. Selecione um tipo de experimento a ser executado e, quando relevante, selecione uma quantidade e distribuição de robôs.
    1. Experimento tipo 1: controle
      Nota: este tipo de experimento testa o crescimento das plantas de escalada em condições ausentes de estímulos leves para desencadear o fototropismo. Ele pode ser executado em qualquer tamanho e forma de configuração.
      1. Atribua a todos os robôs o estado inativo (consulte a etapa 3,4) e execute continuamente até que os resultados sejam avaliados manualmente para serem concluídos.
      2. Observe se as plantas se unem aos suportes mecânicos. Em um experimento bem-sucedido, nenhuma das plantas encontrará ou anexará aos suportes mecânicos.
    2. Experimento tipo 2: decisão única
      Nota: este tipo de experimento testa as trajetórias de crescimento das plantas quando apresentadas com opções binárias — um suporte que conduz a um robô adormecido e um suporte que conduz a um robô de estímulo . Ele é executado somente na configuração mínima (ou seja, uma linha, duas colunas).
      1. Atribua um robô o estado adormecido (Veja 3,5) e um robô o estado do estímulo . Execute continuamente até que um dos dois robôs detecte uma planta com o sensor da IR-proximidade.
      2. Observe o acessório da planta ao apoio mecânico, crescimento ao longo da sustentação, e leituras do sensor do robô do estímulo . Em uma experiência bem-sucedida, o robô com o estado de estímulo detectará uma planta depois de ter crescido ao longo do respectivo suporte.
    3. Experimento tipo 3: múltipla-decisão
      Nota: este tipo de experimento testa o crescimento das plantas quando apresentado com múltiplas condições de estímulos subsequentes, que desencadeiam uma série de decisões de acordo com um mapa global predefinido. Ele pode ser executado em qualquer tamanho e forma de configuração que tem mais do que o número mínimo de linhas (ou seja, dois ou mais).
      1. Forneça aos robôs um mapa global do teste padrão a ser crescido (veja etapas 3.6-3.7.7).
      2. Observe os eventos de fixação da planta e o padrão de crescimento ao longo dos suportes mecânicos.
        1. Em um experimento bem-sucedido, pelo menos uma planta terá crescido em cada suporte presente no mapa global.
        2. Adicionalmente, em uma experimentação bem sucedida nenhuma planta escolherá a direção incorreta quando sua ponta crescente é ficada situada no ponto de decisão atualmente ativo.
        3. Não considere pontas crescentes estranhas aqui, se por exemplo um evento de ramificação coloca uma ponta crescente nova em uma posição obsoleta no mapa.

6. procedimento de gravação

  1. Armazene dados de sensores e câmeras inicialmente no computador de placa única onde os dados foram gerados a bordo. Execute servidores de resposta integrados que respondam às solicitações necessárias, como a última leitura de sensor armazenada. Em intervalos regulares, carregue os dados e os ficheiros de registo através de WLAN para um dispositivo de armazenamento ligado à rede local (NAS).
  2. Capture vídeos de lapso de tempo dos experimentos continuamente usando câmeras posicionadas em dois ou mais pontos de vantagem, com pelo menos uma visão de câmera abrangendo a configuração completa do experimento. Assegure-se de que as imagens capturadas sejam de alta resolução suficiente para captar adequadamente os movimentos das pontas de cultivo da planta, tipicamente apenas alguns milímetros de largura.
    1. Automatize o processo de captura de imagem para garantir intervalos de tempo consistentes entre capturas, usando uma câmera onboard em um computador de placa única ou uma câmera digital autônoma que seja automatizada com um intervalômetro. Instale lâmpadas para atuar como flashes, automatizado de forma semelhante às câmeras. Certifique-se de que os flashes são brilhantes o suficiente para competir com a luz vermelha das lâmpadas de crescimento sem dramaticamente pós-processamento das imagens para correção de cores.
    2. Localize os flashes de tal forma que a configuração do experimento pode ser totalmente iluminada e, portanto, claramente visível em imagens. Sincronize as câmeras e os flashes de tal forma que todas as câmeras capturam imagens simultaneamente, durante um período de flash de 2 s . Capture as imagens a cada 2 minutos, para a duração de cada experimento.
  3. Registre os dados do sensor ambiental, especificamente as leituras do sensor da temperatura-pressão-umidade, do sensor da cor do RGB, e do sensor da umidade do solo. Registre os dados de todos os robôs na configuração, especificamente o sensor de proximidade de infravermelho e as leituras fotororesistor, bem como o estado interno do robô que define seu status de emissores de LED.
  4. Disponibilizar todos os dados gravados para monitoramento remoto dos experimentos, por meio de relatórios regulares em tempo real, para garantir que as condições corretas sejam mantidas para a duração total do experimento até vários meses.

Representative Results

Controle: comportamento da planta sem estímulos robóticos.
Devido à falta de luz azul (ou seja, todos os robôs estão inativos), fototropismo positivo não é acionado na planta. Conseqüentemente, as plantas mostram o crescimento untendencioso ascendente enquanto seguem o gravitropism. Eles também exibem circunnutação típica (ou seja, enrolamento), veja a figura 4a. Como esperado, as plantas não conseguem encontrar o suporte mecânico que conduz aos robôs inativos . As plantas colapsam quando já não conseguem suportar o seu próprio peso. Paramos as experiências quando pelo menos duas plantas colapsam, ver Figura 4B, C.

Decisões únicas ou múltiplas: comportamento da planta com estímulos robóticos
Em quatro experimentos de decisão única , duas corridas têm direção leftward (ou seja, o robô à esquerda da bifurcação é ativado para estímulo), e duas corridas têm direção direita. Os robôs do estímulo dirigem com sucesso as plantas para a sustentação correta, vêem Figura 5. A planta mais próxima com o ângulo da haste mais semelhante à do suporte correto atribui primeiro. Em cada experimento, pelo menos uma planta atribui ao suporte e sobe até atingir o robô de estímulo e, assim, termina o experimento. Em um experimento, uma segunda planta atribui ao suporte correto. As plantas restantes puderam anexar também em durações mais longas da experimentação. Nenhuma das plantas atribui ao suporte incorreto. Cada experimento é executado continuamente por 13 dias em média.

Em dois experimentos de múltipla decisão , as plantas crescem em um padrão de zigzag predefinido, veja a Figura 6a. Cada experimento é executado por aproximadamente sete semanas. Como uma experiência começa, um robô ajusta seu status ao estímulo (Veja 3.6.3) e dirige as plantas para o apoio correto de acordo com o padrão estipulado. Uma planta anexa e sobe-lo, chegando ao robô de estímulo ativado, portanto, completando a primeira decisão. De acordo com 3.7.3, o robô atual do estímulo torna-se então inativo e notifica seus vizinhos adjacentes. O vizinho adormecido que está próximo no padrão do ziguezague muda-se ao estímulo (Veja 3.7.6). Se uma planta é detectada por um robô adormecido , esse robô não reage (Veja 3.7.2). As plantas continuam e terminam as três decisões restantes com sucesso. O padrão de zigzag predefinido é, portanto, totalmente crescido, ver Figura 6B.

Todos os dados do experimento, bem como vídeos, estão disponíveis on-line24.

Figure 1
Figura 1. O robô imóvel e seus componentes primários. Figura reimpressa da publicação do autor Wahby et al.14, usado com Creative Commons License CC-by 4,0 (ver arquivos complementares), com modificações como permitido por licença. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2. O diagrama componente da eletrônica robô imóvel. IRLML2060 drivers LED são interligados com o computador do robô de placa única (por exemplo, Raspberry Pi) via PWM para controlar o brilho dos LEDs. Um switch LP5907 é interface com o computador de placa única através de pino de cabeçalho de entrada/saída (GPIO) de propósito geral, para controlar o ventilador. Um conversor analógico-digital de MCP3008 (ADC) é interenfrentado com o computador de placa única via interface periférica serial (SPI) para ler os dados do sensor de infravermelho analógico e dependente de luz (LDR). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3. Pouco depois de "03.04.16", uma ponta de planta sobe um suporte e chega no campo de visão do robô. (A) amostra ir-sensor de proximidade dimensionado leituras de tensão (eixo vertical) durante um experimento. Valores mais altos indicam a detecção da ponta da planta. (B) o sensor da ir-proximidade é coloc e orientado de acordo com o acessório da sustentação, para assegurar a deteção eficaz da ponta da planta. Figura reimpressa da publicação do autor Wahby et al.14, usado com Creative Commons License CC-by 4,0 (ver arquivos complementares), com modificações como permitido por licença. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4. Experimentos de controle resultam em quadros que mostram que todas as quatro plantas não se anexam a nenhum suporte na ausência de luz azul. (A) após cinco dias, todas as plantas crescendo para cima em um dos experimentos de controle (ver (C) para a condição de crescimento posterior). (B) após 15 dias, três plantas desmoronaram, e uma ainda crescendo para cima no primeiro experimento de controle . (C) após sete dias, duas plantas desmoronaram, e duas ainda crescem para cima no segundo experimento de controle (ver (A) para a condição de crescimento anterior). Figura reimpressa da publicação do autor Wahby et al.14, usado com Creative Commons License CC-by 4,0 (ver arquivos complementares), com modificações como permitido por licença. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5. A única decisão experimenta frames do resultado que mostram a habilidade de um robô do estímulo de dirigir as plantas com uma decisão binária, para escalar a sustentação correta. Em todos os quatro experimentos, um robô é ajustado para o estímulo e o outro para dormente-em dois lados opostos de uma junção. Os frames mostram a posição das plantas para a direita antes que o robô do estímulo os detecte. Em cada experimento, pelo menos uma planta atribui ao suporte correto, e nenhuma planta atribui ao incorreto. Também, as plantas não suportadas mostram o crescimento tendencioso para o robô do estímulo . E, F, G, H são closeups de A, B, C, D respectivamente. Figura reimpressa da publicação do autor Wahby et al.14, usado com Creative Commons License CC-by 4,0 (ver arquivos complementares), com modificações como permitido por licença. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 6
Figura 6. Experimento de múltiplas decisões . (A) o padrão de zigzag direcionado é realçado em verde no mapa. (B) o último quadro do experimento (após 40 dias), mostrando a situação das plantas antes do último robô de estímulo no padrão detecta-los. Os robôs crescem com sucesso o padrão em ziguezague. Figura reimpressa da publicação do autor Wahby et al.14, usado com Creative Commons License CC-by 4,0 (ver arquivos complementares), com modificações como permitido por licença. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussion

A metodologia apresentada mostra os passos iniciais para automatizar a direção impulsionada por estímulos do crescimento vegetal, para gerar padrões específicos. Isto exige a manutenção contínua da saúde de planta ao combinar em um único experimento setup os reinos distintos de respostas bioquímicas do crescimento e de funções mecatrônicos projetadas-sensoriamento, uma comunicação, e uma geração controlada de estímulos. Como nosso foco aqui é em plantas de escalada, suporte mecânico também é integral. Uma limitação da configuração atual é a sua escala, mas acreditamos que nossa metodologia é facilmente dimensionada. O andaime mecânico pode ser estendido para configurações maiores e, portanto, períodos mais longos de crescimento, o que também permite configurações e padrões expandidos. Aqui a configuração é limitada a duas dimensões e decisões binárias de esquerda-direita, como o crescimento é limitado a uma grade de suportes mecânicos na inclinação de 45 °, e as posições de decisão da planta são limitadas às bifurcações dessa grade. As extensões mecânicas podem incluir andaimes 3D e materiais diferentes, para permitir formas complexas9,19. A metodologia pode ser considerada um sistema para aumentar automaticamente os padrões definidos por um usuário. Ao estender a possível complexidade das configurações mecânicas, os usuários devem enfrentar algumas restrições em seus padrões desejados. Para tal aplicação, uma ferramenta de software do usuário deve confirmar que o padrão é producible, e a Mecatrônica deve então auto-organizar a produção do padrão, gerando estímulos adequados para orientar as plantas. O software também deve ser estendido para incluir planos de recuperação e políticas que determinam como continuar com o crescimento se o padrão planejado original falhou parcialmente-por exemplo, se o primeiro robô ativado nunca detectou uma planta, mas as dormentes têm visto que a posição das pontas crescentes está além do robô ativado.

Na metodologia apresentada, um exemplo de espécie vegetal que atende aos critérios de seleção do protocolo é o feijão-comum de escalada, P. vulgariss. Esta é a espécie utilizada nos resultados representativos. Como P. vulgariss tem o fototropismo positivo forte a UV-a e à luz azul, os estimular (proteínas do luz-receptor) na planta absorverão os fótons que correspondem aos comprimentos de onda 340-500 nanômetro. Quando os receptores são acionados, o primeiro inchaço ocorrerá no tronco pela realocação preferencial da água para os tecidos da haste que se opõem aos receptores desencadeados, causando uma resposta direcional reversível. Então, dentro do tronco, a auxina (hormônio de padronização da planta) é direcionada para o mesmo local do tecido, perpetuando a resposta direcional e fixando os tecidos da haste à medida que endureça. Este comportamento pode ser usado para moldar as plantas nestas circunstâncias internas controladas, porque as plantas são expostas somente à luz azul isolada e à luz vermelha isolada, com a luz distante-vermelha incidente dos sensores da IR-proximidade a níveis baixos bastante que não interfere com comportamentos como a resposta de sombra-evitação20,21. A reação de fototropismo na planta responde na configuração à luz de diodos azuis com emissão de pico ƛmax = 465 nm, e a fotossíntese22,23 na planta é apoiada por diodos vermelhos com emissão de pico ƛmax = 650 nm. P. vulgariss crescendo até vários metros de altura é adequado na configuração geral, como o aproximadamente 3 L de solo de jardinagem comercial necessário por pote cabe a escala de instalação.

Embora a configuração atual se concentre na luz como um estímulo de atração, estímulos adicionais podem ser relevantes para outros tipos de experimentos. Se o padrão desejado requer uma separação entre diferentes grupos de plantas (por exemplo, o padrão desejado precisa de dois grupos de plantas para escolher lados opostos), então pode não ser viável usando apenas um tipo de estímulo. Para tais padrões de crescimento complexos independentes da forma do andaime, os grupos diferentes de plantas podem potencial ser crescidos em períodos de tempo diferentes tais que seus estímulos respectivos da atração não interferem, que igualmente permitiriam a integração de ramificar Eventos. No entanto, isso nem sempre pode ser uma solução adequada, e o estímulo leve atrativo padrão poderia então ser aumentado por repelindo influências como sombreamento, ou por outros estímulos como a luz distante-vermelha ou motores de vibração9,14.

O método apresentado e o experimento são apenas um primeiro passo inicial para uma metodologia sofisticada para influenciar automaticamente o crescimento direcional das plantas. A configuração do experimento é básica determinando apenas uma sequência de decisões binárias nas plantas e nos concentramos em um, fácil de gerenciar o estímulo. Estudos adicionais seriam necessários para comprovar a significância estatística do método, adicionar mais estímulos e controlar outros processos como ramificação. Com o desenvolvimento suficiente para garantir a confiabilidade a longo prazo dos robôs, a metodologia apresentada poderia permitir a automatização de experimentos de plantas ao longo de longos períodos de tempo, reduzindo a sobrecarga associada ao estudo de estágios de desenvolvimento de plantas Além dos tiros. Métodos semelhantes podem permitir futuras investigações sobre a dinâmica subexplorada entre organismos biológicos e robôs autônomos, quando os dois atuam como sistemas de autoorganização de biorhíbridos bem acoplados.

Disclosures

Os autores declaram que não têm interesses financeiros concorrentes.

Acknowledgments

Este estudo foi apoiado pelo projeto flora robotica que recebeu financiamento do programa de investigação e inovação do Horizonte 2020 da União Europeia, no âmbito do acordo de subvenção FET, n. º 640959. Os autores agradecem a Anastasios Getsopulos e Ewald Neufeld por sua contribuição na montagem de hardware, e Tanja Katharina Kaiser por sua contribuição no monitoramento de experimentos de plantas.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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