Suministro de sensistes y de sinensistes para el crecimiento guiado de la planta

Engineering
 

Summary

Los nodos robóticos distribuidos proporcionan secuencias de estímulos de luz azul para dirigir las trayectorias de crecimiento de las plantas de escalada. Al activar el fototropismo natural, los robots guían a las plantas a través de decisiones binarias izquierda-derecha, creándolas en patrones predefinidos que, por contraste, no son posibles cuando los robots están inactivos.

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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

Los sistemas de robots se investigan activamente para la manipulación de plantas naturales, normalmente restringidas a actividades de automatización agrícola como la cosecha, el riego y el control mecánico de malas hierbas. Ampliando esta investigación, presentamos aquí una metodología novedosa para manipular el crecimiento direccional de las plantas a través de sus mecanismos naturales para la señalización y la distribución de hormonas. Una metodología eficaz de provisión de estímulos robóticos puede abrir posibilidades para nuevas experimentaciones con fases de desarrollo posteriores en plantas, o para nuevas aplicaciones biotecnológicas como la formación de plantas para paredes verdes. La interacción con las plantas presenta varios desafíos robóticos, incluyendo la identificación de corto alcance de órganos de plantas pequeñas y variables, y el accionamiento controlado de las respuestas de las plantas que se ven afectadas por el medio ambiente, además de los estímulos proporcionados. Con el fin de dirigir el crecimiento de las plantas, desarrollamos un grupo de robots inmóviles con sensores para detectar la proximidad de las puntas de cultivo, y con diodos para proporcionar estímulos ligeros que accionan el fototropismo. Los robots son probados con el haba común de escalada, Phaseolus vulgaris, en experimentos con duraciones de hasta cinco semanas en un entorno controlado. Con los robots que emiten secuencialmente la emisión de pico de luz azul en la longitud de onda 465 nm-crecimiento de la planta se dirige con éxito a través de decisiones binarias sucesivas a lo largo de soportes mecánicos para alcanzar las posiciones objetivo. Los patrones de crecimiento se prueban en una configuración de hasta 180 cm de altura, con tallos de plantas crecidos hasta aproximadamente 250 cm de longitud acumulada durante un período de aproximadamente siete semanas. Los robots se coordinan y operan de forma totalmente autónoma. Detectan las puntas de la planta que se acercan mediante sensores de proximidad infrarrojos y se comunican a través de la radio para cambiar entre los estímulos de luz azul y el estado latente, según sea necesario. En general, los resultados obtenidos apoyan la eficacia de la combinación de metodologías de experimentos de robots y plantas, para el estudio de interacciones potencialmente complejas entre sistemas autónomos naturales y diseñados.

Introduction

Congruente según la creciente prevalencia de la automatización en la fabricación y producción, los robots se utilizan para sembrar, tratar y cosechar plantas1,2,3,4,5. Utilizamos la tecnología robótica para automatizar los experimentos de plantas de una manera no invasiva, con el propósito de dirigir el crecimiento a través de respuestas direccionales a los estímulos. Las prácticas tradicionales de jardinería han incluido la conformación manual de árboles y arbustos mediante la sujeción mecánica y el corte. Presentamos una metodología que, por ejemplo, se puede aplicar a esta tarea de modelado, dirigiendo patrones de crecimiento con estímulos. Nuestra metodología presentada es también un paso hacia experimentos automatizados de plantas, aquí con un enfoque específico en proporcionar estímulos ligeros. Una vez que la tecnología se ha vuelto robusta y confiable, este enfoque tiene potencial para reducir los costos en los experimentos de la planta y para permitir nuevos experimentos automatizados que de otra manera serían inviables debido a la sobrecarga en el tiempo y la mano de obra manual. Los elementos robóticos son libremente programables y actúan de forma autónoma, ya que están equipados con sensores, actuadores para la provisión de estímulos y microprocesadores. Si bien nos centramos aquí en la detección de proximidad (es decir, la medición de distancias a corta distancia) y los estímulos ligeros, muchas otras opciones son factibles. Por ejemplo, se pueden utilizar sensores para analizarel color de la planta, para monitorear la actividad bioquímica 6, o para fitosensing7 enfoques para monitorear, por ejemplo, las condiciones ambientales a través de la electrofisiología vegetal8. Del mismo modo, las opciones deactuadores pueden proporcionar otros tipos de estímulos 9, a través de motores de vibración, dispositivos de pulverización, calentadores, ventiladores, dispositivos de sombreado o manipuladores para el contacto físico dirigido. Se podrían implementar estrategias de accionamiento adicionales para proporcionar una movilidad lenta a los robots (es decir, 'bots lentos'10),de modo que podrían cambiar gradualmente la posición y la dirección desde la que proporcionan estímulos. Además, como los robots están equipados con computadoras de una sola placa, podrían ejecutar procesos más sofisticados como la visión para el fenotipado de plantas11 o controladores de redes neuronales artificiales para la actuación de estímulos12. Como la investigación de la ciencia vegetal se centra a menudo en el crecimiento temprano (es decir, en brotes)13, todo el dominio del uso de sistemas robóticos autónomos para influir en las plantas durante períodos más largos parece infraexplorado y puede ofrecer muchas oportunidades futuras. Yendo un paso más allá, los elementos robóticos pueden ser vistos como objetos de investigación en sí, permitiendo el estudio de la compleja dinámica de los sistemas biohíbridos formados por robots y plantas que interactúan estrechamente. Los robots imponen estímulos selectivamente en las plantas, las plantas reaccionan de acuerdo a su comportamiento adaptativo y cambian su patrón de crecimiento, que posteriormente es detectado por los robots a través de sus sensores. Nuestro enfoque cierra el bucle de retroalimentación conductual entre las plantas y los robots y crea un bucle de control homeostático.

En nuestros experimentos para probar la función del sistema robótico, utilizamos exclusivamente el haba común de escalada, Phaseolus vulgaris. En esta configuración, utilizamos plantas de escalada, con soportes mecánicos en un andamio cuadriculado de altura total de 180 cm, de modo que las plantas están influenciadas por el tigmotropismo y tienen un conjunto limitado de direcciones de crecimiento para elegir. Dado que queremos dar forma a toda la planta durante un período de semanas, utilizamos estímulos de luz azul para influir macroscópicamente en el fototropismo de la planta, durante diferentes períodos de crecimiento, incluyendo brotes jóvenes y endurecimiento posterior del tallo. Realizamos los experimentos en condiciones de luz ambiente totalmente controladas donde aparte de los estímulos de luz azul proporcionamos exclusivamente luz roja, con emisión máxima a longitud de onda 650 nm. Cuando alcanzan una bifurcación en la cuadrícula de soporte mecánico, toman una decisión binaria si crecer a la izquierda o a la derecha. Los robots se colocan en estas bifurcaciones mecánicas, separados por distancias de 40 cm. Activan y desactivan de forma autónoma su emisión de luz azul, con una emisión máxima de longitud de onda de 465 nm, según un mapa predefinido del patrón de crecimiento deseado (en este caso, un patrón en zigzag). De esta manera, las plantas se guían desde la bifurcación hasta la bifurcación en una secuencia definida. Solo se activa un robot en un momento dado, durante el cual emite luz azul mientras supervisa de forma autónoma el crecimiento de la planta en el soporte mecánico debajo de él. Una vez que detecta una punta creciente utilizando sus sensores de proximidad infrarrojos, deja de emitir luz azul y se comunica con sus robots vecinos a través de la radio. El robot que determina a sí mismo ser el siguiente objetivo en la secuencia y luego se activa, atrayendo el crecimiento de la planta hacia una nueva bifurcación mecánica.

Como nuestro enfoque incorpora mecanismos de ingeniería y naturales, nuestros experimentos incluyen varios métodos que operan simultáneamente e interdependientemente. El protocolo aquí se organiza primero según el tipo de método, cada uno de los cuales debe integrarse en una configuración de experimento unificada. Estos tipos son la selección de especies vegetales; diseño de robot incluyendo hardware y mecánica; software robot para la comunicación y el control; y el seguimiento y mantenimiento de la salud vegetal. A continuación, el protocolo continúa con el diseño del experimento, seguido de la recopilación y grabación de datos. Para obtener todos los detalles de los resultados obtenidos hasta el momento, véase Wahby et al.14. Los resultados representativos abarcan tres tipos de experimentos: experimentos de control en los que todos los robots no proporcionan estímulos (es decir, están inactivos); experimentos de una sola decisión donde la planta hace una elección binaria entre un robot que proporciona estímulos y uno que está inactivo; y experimentos de decisión múltiple donde la planta navega por una secuencia de opciones binarias para hacer crecer un patrón predefinido.

Protocol

1. Procedimiento de selección de especies vegetales

NOTA: Este protocolo se centra en los comportamientos de las plantas relacionados con la escalada, las respuestas direccionales a la luz y la salud y supervivencia de las plantas en la temporada, ubicación y condiciones experimentales específicas.

  1. Seleccione una especie de planta conocida por mostrar un fuerte fototropismo positivo15,16 hacia UV-A y luz azul (340-500 nm) en las puntas de crecimiento.
  2. Seleccione una especie que sea una bobinadora, en la que se pronuncie el comportamiento de la circunndación17 y la punta en crecimiento tenga trayectorias helicoidales con amplitud lo suficientemente grande como para enrollar alrededor de los soportes mecánicos utilizados en las condiciones experimentales específicas. El comportamiento de gemelo18 exhibido por el bobinador seleccionado debe tolerar el medio ambiente y las condiciones de nutrientes presentes en el experimento y debe tolerar los soportes mecánicos con ángulo de inclinación de hasta 45o.
  3. Seleccione una especie que crezca de forma fiable y rápida en las condiciones experimentales, con una velocidad de crecimiento media no inferior a aproximadamente 5 cm por día, y preferiblemente más rápida si es posible.
  4. Seleccione una especie que muestre los comportamientos requeridos en la presente temporada y la ubicación geográfica.
  5. Asegurar que la especie tolere la gama de parámetros ambientales que estarán presentes en la configuración experimental. La planta debe tolerar la ausencia de luz verde y la ausencia de luz fuera del espectro visible (400–700 nm). La planta también debe tolerar cualquier fluctuación presente en la temperatura, mantenida a aproximadamente 27 oC, así como cualquier fluctuación presente en la humedad y el riego.

2. Condiciones del robot y diseño

  1. Organice las capacidades del robot en nodos descentralizados con computadoras de placa única (consulte la Figura 1 y la Figura 2),integradas en soportes mecánicos modulares. Asegúrese de que cada nodo robot idéntico sea capaz de controlar y ejecutar su propio comportamiento.
  2. Para el suministro robótico de estímulos a las plantas, proporcionar luz azul (400-500 nm) a las plantas a intervalos controlables, a una intensidad que desencadenará su respuesta fototrópica, desde la dirección y orientación requerida para la parte respectiva del experimento .
    1. Seleccione un diodo emisor de luz (LED) rojo-verde-azul (RGB) o un LED azul aislado. En cualquier caso, incluya un LED con un diodo azul con emisión máxima de 465 nm.
    2. Seleccione un LED que cuando se congregue en grupos y se establezca en las condiciones precisas del robot utilizado puede mantener el nivel de intensidad de luz requerido en cada dirección probada en la configuración del experimento. Para cada dirección que se está probando, asegúrese de que los diodos azules en los LED en un solo robot son colectivamente capaces de mantener un nivel de intensidad de luz de aproximadamente 30 lúmenes sin sobrecalentamiento, cuando se encuentran en el gabinete robot utilizado y cualquier estrategias de disipación de calor. El LED seleccionado debe tener un ángulo de visión de aproximadamente 120o.
      NOTA: Por ejemplo, en un robot que utiliza tres LED por dirección, con regulación de intensidad habilitada para microcontrolador, si los diodos azules emiten con la intensidad máxima de la luz a 15 lúmenes, entonces sin sobrecalentamiento deben ser capaces de mantener el 65% del máximo.)
    3. Interconectar los LED al ordenador de una sola placa del robot, a través de controladores LED que regulan la fuente de alimentación según el brillo requerido. Habilite el control individual, cualquiera de cada LED o de los grupos LED que sirven cada dirección que se está probando en la configuración.
  3. Para el procedimiento de detección para la proximidad de las puntas de cultivo de plantas (ver Figura 3B),utilizar lecturas procesadas de sensores de proximidad infrarroja (proximidad IR) para detectar de forma fiable y autónoma la presencia de plantas que se acercan desde cada dirección probada en la configuración.
    1. Seleccione un sensor de proximidad IR que detecte regularmente la punta de crecimiento de las especies de plantas seleccionadas, cuando se organice perpendicularmente al eje central de la dirección desde la que se acerca la planta, como se prueba en un entorno sin obstáculos. Asegúrese de que la detección correcta se produce a partir de una distancia de 5 cm, como se ve en la Figura 3A a partir de la marca de tiempo etiquetada '07.04.16' en el eje horizontal.
    2. Interconectar cada sensor de proximidad IR al ordenador de una sola placa del robot e implementar un enfoque de media aritmética ponderada para procesar las lecturas del sensor en una determinación de si una planta está presente dentro de 5 cm. Utilice las lecturas del sensor de las lecturas más recientes cinco s para dar el 20% del peso promedio final utilizado en la detección.
    3. Asegúrese de que el sensor de proximidad IR seleccionado no emita longitudes de onda críticas que puedan interferir con los comportamientos impulsados por la luz de la especie seleccionada. Asegúrese de que las longitudes de onda emitidas por el sensor por debajo de 800 nm no estén presentes a distancias superiores a 5 mm de la fuente IR del sensor, medida por espectrómetro.
  4. Distribuya las funciones del experimento sobre el conjunto de robots, de modo que cada robot pueda gestionar de forma autónoma las porciones que proceden en su propia área local. Organizar el suministro de estímulos ligeros y capacidades de sensación de los robots de acuerdo con las respectivas direcciones de crecimiento de la planta que se están probando.
    1. Componga cada robot alrededor de un ordenador de una sola placa que esté habilitado para la red de área local inalámbrica (WLAN). Interfaz del ordenador con sensores y actuadores a través de una placa de circuito impreso (PCB) personalizada. Encienda cada robot individualmente, con su propia batería de respaldo.
    2. Incluya un sensor de proximidad IR por dirección que se esté probando para las plantas que se acercan, de acuerdo con los requisitos anteriores.
    3. Incluya suficientes LED para cumplir con los requisitos de luz azul anteriores, por dirección que se está probando para las plantas que se acercan.
      1. Si utiliza LED RGB en lugar de LED azules, opcionalmente habilite la emisión del diodo rojo cuando el diodo azul no esté en uso, para aumentar la entrega de luz roja que se describe a continuación (para la salud de la planta a través del soporte de la fotosíntesis).
      2. Si se emite luz roja de los robots a ciertos intervalos, utilice diodos rojos con una emisión máxima de aproximadamente a 625-650 nm, sin longitudes de onda críticas que se superpongan a la banda verde (es decir, por debajo de 550 nm) o a la banda de color rojo lejano (es decir, por encima de 700 nm).
      3. No permita que los diodos rojos produzcan niveles de calor superiores a los de los diodos azules.
    4. Incluya hardware que permita señales locales entre robots. Incluya un fotorresistor (es decir, resistencia dependiente de la luz o LDR) para cada dirección de un robot vecino para monitorear su estado de emisión de luz. Alternativamente, comunique el estatus de los vecinos locales vía la red inalámbrica (WLAN).
    5. Incluya hardware para disipar el calor, según lo requieran las condiciones de los diodos azules seleccionados y el gabinete robot utilizado. Ejecutar mediante una combinación de disipadores térmicos de aluminio, respiraderos en la carcasa de la caja del robot y ventiladores. Active los ventiladores mediante un sensor de temperatura digital en el ordenador de una sola placa o PCB suplementario.
    6. Organice los componentes del robot de manera que las direcciones pertinentes sean uniformemente reparadas.
      1. Coloque los diodos azules para distribuir una intensidad de luz equivalente a cada una de las direcciones desde las que las plantas pueden acercarse (es decir, desde los soportes mecánicos conectados a la mitad inferior del robot, véase el paso 2.5). Orientar cada diodo en la caja del robot de tal manera que el eje central de su ángulo de lente esté dentro de 60o de cada eje de soporte mecánico que presta servicios, y posicionarlo para que no sea bloqueado por la caja del robot.
      2. Coloque los sensores de proximidad IR equivalentemente para sus respectivas direcciones de crecimiento de aproximación (es decir, desde los soportes mecánicos conectados a la mitad inferior del robot, véase el paso 2.5). Coloque cada sensor de proximidad IR dentro de 1 cm del punto de fijación entre el robot y el soporte mecánico que se está reparando, y oriente de modo que su ángulo de visión sea paralelo al eje de soporte. Asegúrese de que su emisor y receptor no estén bloqueados por la carcasa del robot.
      3. Coloque los fotorresistencias para la comunicación local de forma equivalente para cada dirección frente a un robot vecino en la configuración (es decir, desde todos los soportes mecánicos conectados al robot, véase 2.5). Orientar cada fotorresistor de modo que el eje central de su ángulo de visión esté dentro de 45o del eje de soporte que sirve, y la posición para no ser bloqueado por la caja del robot.
    7. Ensamble todos los componentes con el equipo de una sola placa (consulte el diagrama de bloques de la Figura2). Asegúrese de que se puede acceder fácilmente al equipo para su mantenimiento después del montaje.
      1. Interfaz LED al ordenador a través de controladores LED mediante modulación de ancho de pulso. Utilice una conexión mecánica fija entre los LED y la caja o el disipador térmico, y utilice una conexión mecánicamente sin restricciones entre los LED y el ordenador.
      2. Interface los ventiladores al ordenador a través de un regulador lineal (es decir, un interruptor) utilizando un pin de encabezado de entrada/salida de propósito general. Fije los ventiladores cuando haya un flujo de aire adecuado, a la vez que garantiza que no haya tensión mecánica en ellos.
      3. Interfaz sensores de proximidad IR y fotorresistencias a través de convertidor analógico a digital, utilizando la interfaz periférica serial. Utilice una conexión mecánica fija desde los sensores a la caja y una conexión mecánicamente sin restricciones al ordenador.
      4. Fabricar la caja del robot a partir de plástico resistente al calor utilizando sinterización selectiva por láser, estereolitografía, modelado de deposición fusionada o moldeo por inyección.
  5. Integre los robots en un conjunto de soportes mecánicos modulares que mantienen los robots en posición dual y sirven como andamio de escalada para las plantas, restringiendo las probables trayectorias de crecimiento promedio de las plantas. Diseñar los robots para servir como juntas mecánicas suplementarias entre los soportes, posicionados de tal forma que intersequen las trayectorias de crecimiento de la planta.
    1. Minimice el tamaño del robot y asegúrese de que puede ser superado de forma fiable por una punta de crecimiento sin soporte de las especies de plantas seleccionadas. Reduzca el tamaño del robot en la mayor medida posible para aumentar la velocidad del experimento.
    2. Da forma a las paredes externas del cuerpo del robot para que sean lo más discretas posibles para el crecimiento de la planta cuando una punta en crecimiento navega incrementalmente alrededor del robot. Redondo o faceta dotada del cuerpo del robot para no bloquear la trayectoria helicoidal de la circunnifilación en especies de plantas gemelas. Excluya las protuberancias agudas y las hendiduras agudas.
    3. Seleccione un material y un perfil (es decir, forma de sección transversal) para los soportes mecánicos, de modo que las especies vegetales seleccionadas puedan subirlo eficazmente, por ejemplo, una varilla de madera con perfil circular de un diámetro de aproximadamente 8 mm o menos. Asegúrese de que los soportes mecánicos son lo suficientemente rígidos estructuralmente como para soportar las plantas y robots dentro de la configuración, aumentada por una hoja de acrílico transparente detrás de la configuración.
    4. En cada robot incluyen puntos de fijación para anclar los soportes mecánicos especificados. Incluya uno para cada dirección por el cual una planta pueda acercarse o salir de un robot.
      1. Para cada punto de fijación, incluya un zócalo en la caja del robot, con dimensiones que coincidan con la sección transversal del material de soporte.
      2. Ajuste el zócalo con una profundidad no inferior a 1 cm. Mantenga el zócalo lo suficientemente superficial como para que el soporte no colisione con los componentes dentro del robot.
    5. Organice los soportes mecánicos en un patrón de rejilla regular, diagonal uniformemente con un ángulo de inclinación a 45o o más empinado. Haga que las longitudes de los soportes sean uniformes. La longitud mínima expuesta del soporte es de 30 cm, para permitir suficiente espacio para que las plantas de escalada se adhieran después de explorar la zona en su condición no soportada. La longitud expuesta preferida es de 40 cm o más, para permitir algún tampón para casos estadísticamente extremos de unión de la planta.
    6. Montar los elementos mecánicos con los robots. El protocolo siguiente supone una longitud de soporte expuesta de 40 cm y una configuración de ocho robots en cuatro filas (consulte la figura 6). Para otros tamaños, escale en consecuencia.
      1. En la superficie del suelo, construir un soporte de 125 cm de ancho que sea capaz de sostener la configuración en posición vertical.
      2. Fije una lámina de 125 cm x 180 cm (8 mm de espesor o más) de acrílico transparente en el soporte, de forma que se ponga en posición vertical.
      3. Coloque las macetas con el suelo apropiado en el soporte, contra la lámina de acrílico.
      4. Fije dos juntas mecánicas en la lámina de acrílico, 10 cm por encima de las macetas. Coloque las juntas 45 cm y 165 cm a la derecha, respectivamente, del borde izquierdo del soporte.
      5. Fije dos soportes a la junta y izquierda, inclinado 45o a la izquierda y a la derecha, y fije un soporte a la junta y derecha, inclinado 45o a la izquierda.
      6. Fije dos robots a la hoja de acrílico e inserte los extremos de los soportes colocados anteriormente en los zócalos en las cajas del robot. Coloque los robots 35 cm por encima de las juntas Y, y 10 cm y 80 cm a la derecha, respectivamente, del borde izquierdo del soporte.
      7. Repita el patrón para colocar los robots restantes y el soporte en el patrón diagonalmente cuadriculado (ver Figura 6), de modo que cada fila de robots esté 35 cm por encima de la fila anterior, y cada robot se coloque horizontalmente sobre el robot o la junta y que es dos filas debajo de ella.

3. Software robot

  1. Instale un sistema operativo (por ejemplo, Raspbian) en los ordenadores de una sola placa de los robots.
  2. Durante cada experimento, ejecute el protocolo de software en cada robot en paralelo, lo que permite su comportamiento autónomo distribuido (véase Wahby et al.14, para pseudocódigo y más detalles).
  3. Establecer dos estados posibles para el robot: uno es un estado de estímulo durante el cual el robot emite luz azul a la intensidad descrita anteriormente; el otro es un estado latente durante el cual el robot no emite luz o emite luz roja como se describió anteriormente.
    1. En estado de estímulo, envíe una señal de modulación de ancho de pulso (PWM) a través del ordenador de una sola placa con una frecuencia correspondiente al brillo requerido a los controladores LED azules.
    2. En estado inactivo, no active ningún LED o, si es necesario, envíe una señal PWM solo a los controladores LED rojos.
  4. En los experimentos de control, asigne a todos los robots el estado inactivo.
  5. En experimentos de una sola decisión, asigne a un robot el estado latente y un robot el estado de estímulo.
  6. En experimentos de varias decisiones, inicie el proceso de inicialización, como se indica a continuación.
    1. Proporcione a cada robot un mapa de configuración completo del patrón de crecimiento de la planta que se probará en el experimento actual.
    2. Establezca la ubicación del robot dentro del patrón, ya sea automáticamente utilizando sensores de localización o manualmente.
    3. Compare la ubicación del robot con el mapa suministrado. Si la ubicación del robot es la primera ubicación en el mapa, establezca el robot en estímulo; de lo contrario, ponga el robot inactivo. Finaliza el proceso de inicialización.
  7. En experimentos de decisión múltiple, inicie el proceso de dirección de la siguiente manera. Ejecutar iterativamente.
    1. Compruebe la lectura del sensor de proximidad IR del robot para ver si se ha detectado una planta.
    2. Si se detecta una planta y el robot está inactivo, entonces mantenga.
    3. Si se detecta una planta y el robot se establece en estímulo, entonces:
      1. Notifique a los robots vecinos adyacentes que se ha detectado una planta e incluya la ubicación del robot en el mensaje.
      2. Ajuste el robot a inactivo.
      3. Compara la ubicación del robot con el mapa. Si el robot está en la última ubicación en el mapa, después envíe una señal sobre la red inalámbrica (WLAN) que el experimento es completo.
    4. Compruebe los mensajes entrantes del robot de sus robots vecinos adyacentes para ver si uno de ellos que se estableció en el estímulo ha detectado una planta.
    5. Si un vecino de estímulo ha detectado una planta, compare la ubicación de ese vecino con la ubicación del robot y también compárela con el mapa.
    6. Si el robot está en la ubicación posterior en el mapa, establezca el robot en estímulo.
    7. Finalice el bucle iterativo del proceso de dirección una vez que se ha recibido una señal de que el experimento está completo.

4. Procedimiento de monitoreo y mantenimiento de la salud vegetal

  1. Localice la configuración del experimento en condiciones ambientales controladas, específicamente, en interiores sin luz diurna incidente u otra luz externa a las condiciones descritas a continuación, con temperatura y humedad controladas del aire, y con riego controlado del suelo. Supervise las condiciones con sensores conectados a un microcontrolador o a un ordenador de placa única habilitado para WLAN.
  2. Mantenga la fotosíntesis de la planta utilizando lámparas de crecimiento LED externas a los robots y frente a la configuración del experimento.
    1. Utilice las lámparas de crecimiento para suministrar luz roja monocromática a la configuración, con diodos rojos con emisiones máximas de aproximadamente smáx. 625–650 nm, sin longitudes de onda críticas fuera del rango de 550-700 nm, excepto por una baja incidencia de luz azul ambiental si para la salud de las especies seleccionadas. Si se incluye una baja incidencia de luz azul ambiental, restrinja a niveles a una fracción muy pequeña de los emitidos por un solo robot.
    2. Proporcionar los niveles de luz roja necesarios para la salud de la especie seleccionada, por lo general aproximadamente 2000 lúmenes o más en total.
    3. Orientar las lámparas de crecimiento para hacer frente a la configuración del experimento, de modo que su emisión se distribuye aproximadamente uniformemente sobre el área de crecimiento.
    4. Supervise las condiciones de luz ambiental utilizando un sensor de color RGB.
  3. Después de germinar, proporcione cada planta su propia maceta en la base de la configuración del experimento. Proporcione el volumen y el tipo de suelo adecuados para las especies seleccionadas. Asegúrese de que el suelo y las semillas han sido desinfectados antes de la germinación. Utilice métodos adecuados de control de plagas para prevenir o controlar los insectos si están presentes.
  4. Regular los niveles de temperatura y humedad del aire, en consecuencia para las especies seleccionadas, utilizando calentadores, aires acondicionados, humidificadores y deshumidificadores. Supervise los niveles utilizando un sensor de temperatura-presión-humedad.
  5. Supervise el suelo utilizando un sensor de humedad del suelo. Mantener una tasa adecuada de riego para la especie seleccionada. Ejecute utilizando un sistema de riego automatizado donde el agua se entrega al suelo a través de boquillas como se activa por las lecturas del sensor de humedad del suelo, o el suelo de agua manualmente, según lo regulado por las lecturas del sensor.

5. Diseño del experimento

  1. Coloque robots y soportes mecánicos en una rejilla lo suficientemente grande como para cubrir el área de crecimiento y el patrón que se está probando en el experimento, no más pequeño que una fila y dos columnas de robots.
  2. Debajo de la fila inferior de robots, coloque una fila de los soportes mecánicos diagonales estándar, que coincidan con los de toda la configuración. Donde los extremos inferiores de estos soportes se cruzan, únanlos mecánicamente con una "unión y". Para cada "junta y" en la base de la configuración, plantar un número uniforme de plantas de acuerdo con el tamaño de la celda de rejilla diagonal (aproximadamente una planta por 10 cm de longitud de soporte mecánico expuesta), con las condiciones de mantenimiento de la planta descritas anteriormente.
  3. Seleccione un tipo de experimento para ejecutar y, en su caso, seleccione una cantidad y distribución de robots.
    1. Tipo de experimento 1: Control
      NOTA: Este tipo de experimento prueba el crecimiento de las plantas trepadoras en condiciones a falta de estímulos ligeros para desencadenar el fototropismo. Se puede ejecutar en cualquier tamaño y forma de configuración.
      1. Asigne a todos los robots el estado inactivo (consulte el paso 3.4) y ejecute continuamente hasta que los resultados se evalúen manualmente para que estén completos.
      2. Observe si las plantas se unen a los soportes mecánicos. En un experimento exitoso, ninguna de las plantas encontrará o se unirá a los soportes mecánicos.
    2. Tipo de experimento 2: Decisión única
      NOTA: Este tipo de experimento prueba las trayectorias de crecimiento de las plantas cuando se presentan con opciones binarias, un soporte que conduce a un robot inactivo y un soporte que conduce a un robot de estímulo. Se ejecuta sólo en la configuración mínima (es decir, una fila, dos columnas).
      1. Asigne a un robot el estado latente (véase 3.5) y un robot el estado de estímulo. Corre continuamente hasta que uno de los dos robots detecte una planta con el sensor de proximidad IR.
      2. Observe la fijación de la planta al soporte mecánico, el crecimiento a lo largo del soporte y las lecturas del sensor del robot de estímulo. En un experimento exitoso, el robot con el estado de estímulo detectará una planta después de que hubiera crecido a lo largo del soporte respectivo.
    3. Tipo de experimento 3: Decisión múltiple
      NOTA: Este tipo de experimento prueba el crecimiento de las plantas cuando se presentan con múltiples condiciones de estímulos posteriores, que desencadenan una serie de decisiones de acuerdo con un mapa global predefinido. Se puede ejecutar en cualquier tamaño y forma de configuración que tenga más que el número mínimo de filas (es decir, dos o más).
      1. Proporcione a los robots un mapa global del patrón a cultivar (consulte los pasos 3.6-3.7.7).
      2. Observe los eventos de fijación de la planta y el patrón de crecimiento a lo largo de los soportes mecánicos.
        1. En un experimento exitoso, al menos una planta habrá crecido en cada soporte presente en el mapa global.
        2. Además, en un experimento exitoso ninguna planta habrá elegido la dirección incorrecta cuando su punta de cultivo se encuentra en el punto de decisión activo actualmente.
        3. No considere consejos de crecimiento extraños aquí, si por ejemplo un evento de ramificación coloca una nueva punta de crecimiento en una ubicación obsoleta en el mapa.

6. Procedimiento de grabación

  1. Almacene los datos de sensores y cámaras inicialmente en el ordenador de una sola placa donde se han generado los datos a bordo. Ejecute servidores de respuesta integrados que respondan a las solicitudes necesarias, como la última lectura del sensor almacenado. A intervalos regulares, cargue los datos y los archivos de registro a través de WLAN en un dispositivo de almacenamiento conectado a la red (NAS) local.
  2. Capture vídeos de lapso de tiempo de los experimentos continuamente utilizando cámaras colocadas en dos o más puntos de vista, con al menos una vista de cámara que abarque la configuración completa del experimento. Asegúrese de que las imágenes capturadas sean de resolución lo suficientemente alta como para capturar adecuadamente los movimientos de las puntas de cultivo de la planta, normalmente sólo unos pocos milímetros de ancho.
    1. Automatice el proceso de captura de imágenes para garantizar intervalos de tiempo constantes entre capturas, utilizando una cámara integrada en un ordenador de una sola placa o una cámara digital independiente que se automatiza con un intervalometro. Instale lámparas para actuar como flashes, automatizadas de forma similar a las cámaras. Asegúrese de que los destellos son lo suficientemente brillantes como para competir con la luz roja de las lámparas de crecimiento sin post-procesar dramáticamente las imágenes para la corrección de color.
    2. Localice los destellos de modo que la configuración del experimento pueda ser completamente iluminada y, por lo tanto, claramente visible en las imágenes. Sincronice las cámaras y los flashes de modo que todas las cámaras capturen imágenes simultáneamente, durante un período de flash de 2 s. Captura las imágenes cada 2 minutos, durante cada experimento.
  3. Registre los datos del sensor ambiental, específicamente las lecturas del sensor de temperatura-presión-humedad, el sensor de color RGB y el sensor de humedad del suelo. Registre los datos de todos los robots en la configuración, específicamente el sensor de proximidad IR y las lecturas de fotorresistencia, así como el estado interno del robot que define su estado de emisión LED.
  4. Haga que todos los datos grabados estén disponibles para la supervisión remota de los experimentos, a través de informes regulares en tiempo real, para garantizar que se mantengan las condiciones correctas durante toda la duración del experimento hasta varios meses.

Representative Results

Control: Comportamiento de la planta sin estímulos robóticos.
Debido a la falta de luz azul (es decir, todos los robots están inactivos), el fototropismo positivo no se activa en la planta. Por lo tanto, las plantas muestran un crecimiento hacia arriba imparcial a medida que siguen el gravitropismo. También muestran la circunndación típica (es decir, el bobinado), véase la Figura 4A. Como era de esperar, las plantas no encuentran el apoyo mecánico que conduce a los robots inactivos. Las plantas colapsan cuando ya no pueden soportar su propio peso. Detenemos los experimentos cuando al menos dos plantas colapsan, ver Figura 4B,C.

Decisiones individuales o múltiples: Comportamiento de la planta con estímulos robóticos
En cuatro experimentos de una sola decisión, dos carreras tienen dirección hacia la izquierda (es decir, el robot a la izquierda de la bifurcación se activa a estímulo), y dos carreras tienen dirección hacia la derecha. Los robots de estímulo dirigen con éxito las plantas hacia el soporte correcto, ver Figura 5. La planta más cercana con el ángulo del tallo más similar al del soporte correcto se une primero. En cada experimento, al menos una planta se une al soporte y lo sube hasta que llega al robot de estímulo y, por lo tanto, termina el experimento. En un experimento, una segunda planta se une al soporte correcto. Las plantas restantes también podrían adherirse en duraciones de experimento más largas. Ninguna de las plantas se une al soporte incorrecto. Cada experimento se ejecuta continuamente durante 13 días en promedio.

En dos experimentos de decisión múltiple, las plantas crecen en un patrón predefinido en zigzag, véase la Figura 6A. Cada experimento dura aproximadamente siete semanas. Cuando comienza un experimento, un robot establece su estado en estímulo (ver 3.6.3) y dirige las plantas hacia el soporte correcto de acuerdo con el patrón estipulado. Una planta lo une y sube, llegando al robot de estímulo activado, completando así la primera decisión. Según 3.7.3, el robot de estímulo actual entonces se vuelve inactivo y notifica a sus vecinos adyacentes. El vecino inactivo que sigue en el patrón zigzag cambia a estímulo (véase 3.7.6). Si una planta es detectada por un robot inactivo, ese robot no reacciona (véase 3.7.2). Las plantas continúan y completan las tres decisiones restantes con éxito. Por lo tanto, el patrón predefinido en zigzag está completamente crecido, véase la Figura 6B.

Todos los datos del experimento, así como los videos, están disponibles en línea24.

Figure 1
Figura 1. El robot inmóvil y sus componentes principales. Figura reimpresa de la publicación del autor Wahby et al.14, utilizado con la licencia Creative Commons CC-BY 4.0 (ver archivos suplementarios), con modificaciones según lo permitido por la licencia. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2. El diagrama de componentes de la electrónica del robot inmóvil. Los controladores LED IRLML2060 se interconectaron con el ordenador de una sola placa del robot (por ejemplo, Raspberry Pi) a través de PWM para controlar el brillo de los LED. Un interruptor LP5907 se interconecta con el ordenador de una sola placa a través del pin de cabecera de entrada/salida de uso general (GPIO), para controlar el ventilador. Un convertidor analógico a digital (ADC) MCP3008 se conecta con el ordenador de una sola placa a través de la interfaz periférica serial (SPI) para leer los datos del sensor analógico IR y de la resistencia dependiente de la luz (LDR). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3. Poco después de '03.04.16', una punta de planta sube un soporte y llega al campo de visión del robot. (A) Muestra lecturas de voltaje a escala del sensor de proximidad IR (eje vertical) durante un experimento. Los valores más altos indican la detección de puntas de la planta. (B) El sensor de proximidad IR se coloca y se orienta de acuerdo con el accesorio de soporte, para garantizar una detección eficaz de la punta de la planta. Figura reimpresa de la publicación del autor Wahby et al.14, utilizado con la licencia Creative Commons CC-BY 4.0 (ver archivos suplementarios), con modificaciones según lo permitido por la licencia. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4. Los experimentos de control resultan marcos que muestran que las cuatro plantas no se unieron a ningún soporte en ausencia de luz azul. ( A ) Despuésdecinco días, todas las plantas que crecen hacia arriba en uno de los experimentos de control (véase (C) para una condición de crecimiento posterior). ( B ) Despuésde15 días, tres plantas colapsaron, y una todavía crece hacia arriba en el primer experimento de control. (C) Después de siete días, dos plantas colapsaron y dos siguen creciendo hacia arriba en el segundo experimento de control (véase (A) para la condición de crecimiento anterior). Figura reimpresa de la publicación del autor Wahby et al.14, utilizado con la licencia Creative Commons CC-BY 4.0 (ver archivos suplementarios), con modificaciones según lo permitido por la licencia. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5. Experimentos de una sola decisión marcos de resultados que muestran la capacidad de un robot de estímulo para dirigir las plantas a través de una decisión binaria, para subir el soporte correcto. En los cuatro experimentos, un robot está configurado para el estímulo y el otro a latente-en dos lados opuestos de una unión. Los marcos muestran la ubicación de las plantas justo antes de que el robot de estímulo las detecte. En cada experimento al menos una planta se une al soporte correcto, y ninguna planta se une a la incorrecta. Además, las plantas no soportadas muestran un crecimiento sesgado hacia el robot de estímulo. E, F, G, H son primers planos de A, B, C, D respectivamente. Figura reimpresa de la publicación del autor Wahby et al.14, utilizado con la licencia Creative Commons CC-BY 4.0 (ver archivos suplementarios), con modificaciones según lo permitido por la licencia. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 6
Figura 6. Experimento de decisión múltiple. (A) El patrón de zigzag objetivo se resalta en verde en el mapa. (B) El último fotograma del experimento (después de 40 días), mostrando la situación de las plantas antes de que el último robot de estímulo en el patrón las detecte. Los robots crecen con éxito el patrón en zigzag. Figura reimpresa de la publicación del autor Wahby et al.14, utilizado con la licencia Creative Commons CC-BY 4.0 (ver archivos suplementarios), con modificaciones según lo permitido por la licencia. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Discussion

La metodología presentada muestra los primeros pasos hacia la automatización de la dirección impulsada por los estímulos del crecimiento de la planta, para generar patrones específicos. Esto requiere un mantenimiento continuo de la salud de las plantas mientras se combina en un solo experimento configurar los distintos reinos de las respuestas de crecimiento bioquímicoy de ingeniería de detección de funciones mecatrónicas, comunicación y generación controlada de estímulos. Como nos centramos aquí en las plantas de escalada, el apoyo mecánico también es integral. Una limitación de la configuración actual es su escala, pero creemos que nuestra metodología se escala fácilmente. El andamio mecánico se puede ampliar para configuraciones más grandes y, por lo tanto, períodos más largos de crecimiento, lo que también permite configuraciones y patrones ampliados. Aquí la configuración se limita a dos dimensiones y decisiones binarias izquierda-derecha, ya que el crecimiento se limita a una cuadrícula de soportes mecánicos a una inclinación de 45o, y las posiciones de decisión de la planta se limitan a las bifurcaciones de esa cuadrícula. Las extensiones mecánicas pueden incluir andamios 3D ymateriales diferentes, para permitir formas complejas 9,19. La metodología se puede considerar un sistema para crecer automáticamente patrones definidos por un usuario. Al ampliar la posible complejidad de las configuraciones mecánicas, los usuarios deben enfrentarse a pocas restricciones en sus patrones deseados. Para una aplicación de este tipo, una herramienta de software de usuario debe confirmar que el patrón es producible, y la mecatrónica debe entonces autoorganizar la producción del patrón mediante la generación de estímulos adecuados para dirigir las plantas. El software también debe ampliarse para incluir planes de recuperación y políticas que determinan cómo continuar con el crecimiento si el patrón planificado original ha fallado parcialmente, por ejemplo, si el primer robot activado nunca ha detectado una planta, pero los inactivos han visto que la posición de las puntas de crecimiento están más allá del robot activado.

En la metodología presentada, un ejemplo de especies vegetales que cumplen con los criterios de selección de protocolo es el beano común de escalada, P. vulgaris. Esta es la especie utilizada en los resultados representativos. Como P. vulgaris tiene un fuerte fototropismo positivo a UV-A y luz azul, las fototropinas (proteínas receptoras de luz) en la planta absorberán fotones correspondientes a longitudes de onda 340-500 nm. Cuando se activan los receptores, se producirá la primera hinchazón en el tallo por la reubicación preferencial del agua a los tejidos del tallo que se oponen a los receptores activados, causando una respuesta direccional reversible. Luego, dentro del tallo, la auxina (hormona de patrón de la planta) se dirige a la misma ubicación del tejido, perpetuando la respuesta direccional y fijando los tejidos del tallo a medida que se endurecen. Este comportamiento se puede utilizar para dar forma a las plantas en estas condiciones interiores controladas, ya que las plantas están expuestas sólo a luz azul aislada y luz roja aislada, con luz roja muy incidente de los sensores de proximidad IR a niveles lo suficientemente bajos como para que no interfiera con comportamientos como la respuesta de evitación de sombras20,21. La reacción del fototropismo en la planta responde en la configuración a la luz de los diodos azules con la emisión máxima de 465 nm, y la fotosíntesis22,23 en la planta está apoyada por diodos rojos con emisión máxima de 650 nm. P. vulgaris creciendo hasta varios metros de altura es adecuado en la configuración general, ya que el aproximadamente 3 L de suelo de jardinería comercial necesario por maceta se ajusta a la escala de configuración.

Aunque la configuración actual se centra en la luz como un estímulo de atracción, estímulos adicionales pueden ser relevantes para otros tipos de experimentos. Si el patrón deseado requiere una separación entre diferentes grupos de plantas (por ejemplo, el patrón deseado necesita dos grupos de plantas para elegir lados opuestos), entonces puede no ser factible usando sólo un tipo de estímulo. Para estos patrones de crecimiento complejos independientes de la forma del andamio, los diferentes grupos de plantas pueden potencialmente ser cultivados en diferentes períodos de tiempo de modo que sus respectivos estímulos de atracción no interfieran, lo que también permitiría la integración de la ramificación Eventos. Sin embargo, esto puede no ser siempre una solución adecuada, y el estímulo de luz atractivo estándar podría entonces ser aumentado por la repeleción de influencias como el sombreado, o por otros estímulos como la luz roja o motores de vibración9,14.

El método presentado y el diseño del experimento son sólo un primer paso inicial hacia una metodología sofisticada para influir automáticamente en el crecimiento direccional de las plantas. La configuración del experimento es básica mediante la determinación de sólo una secuencia de decisiones binarias en las plantas y nos centramos en uno, fácil de manejar el estímulo. Se requerirían estudios adicionales para probar la importancia estadística del método, para agregar más estímulos y para controlar otros procesos como la ramificación. Con un desarrollo suficiente para garantizar la fiabilidad a largo plazo de los robots, la metodología presentada podría permitir la automatización de experimentos de plantas durante largos períodos de tiempo, reduciendo los gastos generales asociados con el estudio de las etapas de desarrollo de la planta más allá de la de los brotes. Métodos similares pueden permitir futuras investigaciones sobre la dinámica infraexplorada entre organismos biológicos y robots autónomos, cuando los dos actúan como sistemas biohíbridos auto-organizadores estrechamente acoplados.

Disclosures

Los autores declaran que no tienen intereses financieros en competencia.

Acknowledgments

Este estudio fue apoyado por el proyecto flora robotica que recibió financiación del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea en virtud del acuerdo de subvención de la FET, no 640959. Los autores agradecen a Anastasios Getsopulos y Ewald Neufeld por su contribución en el montaje de hardware, y tanja Katharina Kaiser por su contribución en el monitoreo 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

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References

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