צמתים מבוזרים רובוט לספק רצפים של גירויים אור כחול כדי לנווט את מסלולי הצמיחה של צמחי טיפוס. על ידי הפעלת phototropism טבעי, הרובוטים מדריך את הצמחים באמצעות שמאל בינארי החלטות הזכות, גדל אותם דפוסים מוגדרים מראש, כי בניגוד אינם אפשריים כאשר הרובוטים רדומים.
מערכות רובוט מחקר פעיל עבור מניפולציה של צמחים טבעיים, בדרך כלל מוגבל לפעילויות אוטומציה חקלאית כגון קציר, השקיה, ובקרת עשב מכני. הארכת מחקר זה, אנו מציגים כאן מתודולוגיה הרומן לתמרן את הצמיחה כיוונית של צמחים דרך המנגנונים הטבעיים שלהם עבור איתות הורמון התפלגות. מתודולוגיה יעילה לגירויים רובוטיים יכולה לפתוח אפשרויות לניסויים חדשים בשלבים התפתחותיים מאוחרים יותר במפעלים, או ליישומים חדשים בביוטכנולוגיה כגון עיצוב צמחים לקירות ירוקים. אינטראקציה עם צמחים מציג מספר אתגרים רובוטיים, כולל חישה לטווח קצר של איברי צמח קטנים ומשתנים, ואת הגשמה נשלט של תגובות הצמח המושפעים על ידי הסביבה בנוסף לגירויים שסופקו. על מנת לנווט צמיחה הצמח, אנו מפתחים קבוצה של רובוטים משותק עם חיישנים כדי לזהות את הקרבה של טיפים הגוברת, ו עם דיודות כדי לספק גירויים אור כי הופעה phototropism. הרובוטים נבדקים עם שעועית הטיפוס המשותף, Phaseolus vulgaris, בניסויים עם משכים עד חמישה שבועות בסביבה מבוקרת. עם רובוטים ברצף פולטות אור כחול פליטת שיא באורך הגל 465 ננומטר-צמח הצמיחה בהצלחה באמצעות החלטות בינאריות רצופות לאורך תמיכה מכני להגיע עמדות היעד. דפוסי גדילה נבדקים בהתקנה עד 180 ס מ בגובה, עם הצמח נובע בגודל של כ 250 ס”מ באורך מצטבר לאורך תקופה של כשבעה שבועות. הרובוטים מתאמים את עצמם ופועלים באופן עצמאי לחלוטין. הם מזהים טיפים לצמחים מתקרבים על ידי חיישני קירבה אינפרא אדום ולתקשר דרך הרדיו כדי לעבור בין גירוי אור כחול מעמד רדום, כנדרש. באופן כללי, התוצאות המתקבלות תומכות באפקטיביות של שילוב של מתודולוגיות ניסוי של רובוטים וצמחים, לחקר אינטראקציות מורכבות העלולות להיות בין מערכות אוטונומיות טבעיות ומהונדסים.
עם השכיחות הגוברת של אוטומציה בייצור וייצור, רובוטים מנוצלים לזרוע, לטפל, וצמחים הקציר1,2,3,4,5. אנו משתמשים בטכנולוגיית הרובוט כדי להפוך ניסויים צמחיים בצורה לא פולשנית, עם המטרה של ההיגוי צמיחה דרך תגובות כיוונית לגירויים. שיטות גינון מסורתיות כללו את עיצוב ידני של עצים ושיחים על ידי איפוק מכני חיתוך. אנו מציגים מתודולוגיה שיכולה להיות מוחלת על משימת עיצוב זו, על ידי היגוי דפוסי גדילה עם גירויים. המתודולוגיה המוצגת שלנו היא גם צעד לקראת ניסויים הצמח אוטומטי, כאן עם דגש ספציפי על מתן גירויים אור. לאחר הטכנולוגיה הפכה איתנה ואמינה, גישה זו יש פוטנציאל להפחית את עלויות ניסויים בצמחים כדי לאפשר ניסויים אוטומטיים חדשים כי אחרת יהיה בלתי אפשרי עקב התקורה בזמן עבודה ידנית. האלמנטים הרובוטיים ניתנים לתכנות בחופשיות ופועלים באופן עצמאי כאשר הם מצוידים בחיישנים, מפעילים למתן גירויים ומיקרו-מעבדים. בזמן שאנו מתמקדים כאן בחישה הקרבה (כלומר, מדידת מרחקים בטווח הקרוב) וגירויים קלים, אפשרויות רבות אחרות הן אפשריות. לדוגמה, ניתן להשתמש בחיישנים כדי לנתח את צבע הצמח, לנטר פעילות ביוכימית6, או לפיטוחיישן7 גישות לניטור לגבי תנאי הסביבה באמצעות אלקטרופיזיולוגיה של הצמח8. באופן דומה, אפשרויות מפעיל עשויות לספק סוגים אחרים של גירויים9, באמצעות מנועי רטט, מכשירי ריסוס, תנורים, מאווררים, מכשירי הצללה או מניפולטורים ליצירת קשר פיזי מכוון. ניתן ליישם אסטרטגיות הגשמה נוספות כדי לספק ניידות איטית לרובוטים (כלומר, ‘ בוטים איטיים ‘10), כך שהם יכולים לשנות בהדרגה את המיקום והכיוון שממנו הם מספקים גירויים. יתר על כן, כמו הרובוטים מצוידים במחשבים בעלי לוח יחיד, הם יכולים להפעיל תהליכים מתוחכמים יותר כגון מבקר עבור הפנוטיפים הצמח11 או בקרי רשת עצבית מלאכותיים עבור הגשמה12. כמו המחקר במדעי הצמח מוקד הוא לעתים קרובות על הצמיחה המוקדמת (כלומר, בנצרי)13, התחום כולו של שימוש במערכות רובוט אוטונומי להשפיע על צמחים בתקופות ארוכות יותר נראה בתוך בחקר ועלול להציע הזדמנויות עתידיות רבות. הולך אפילו צעד אחד נוסף, את האלמנטים הרובוטיים ניתן לראות אובייקטים של מחקר עצמם, המאפשר לחקור את הדינמיקה המורכבת של מערכות ביו-היברידית נוצר על ידי רובוטים וצמחים באופן מקרוב אינטראקציה. רובוטים באופן סלקטיבי להטיל גירויים על הצמחים, הצמחים להגיב בהתאם התנהגות אדפטיבית שלהם לשנות את דפוס הצמיחה שלהם, אשר מזוהה לאחר מכן על ידי הרובוטים באמצעות החיישנים שלהם. הגישה שלנו סוגרת את לולאת המשוב התנהגותי בין הצמחים והרובוטים ויוצרת לולאה בקרה הומסטטית.
בניסויים שלנו כדי לבדוק את הפונקציה של מערכת הרובוט, אנחנו באופן בלעדי להשתמש הטיפוס המשותף שעועית, Phaseolus vulgaris. בכיוונון זה, אנו משתמשים בצמחי טיפוס, עם תמיכות מכניות בפיגום הכולל גובה 180 ס מ, כגון הצמחים מושפעים על ידי thigmotropism יש קבוצה מוגבלת של כיווני הצמיחה לבחירה. בהתחשב בכך שאנחנו רוצים לעצב את המפעל כולו במשך תקופה של שבועות, אנו משתמשים גירויים אור כחול כדי להשפיע על phototropism של הצמח מאקרופיטיות, על תקופות הצמיחה השונים כולל נצרי צעיר ומאוחר יותר ההתקשות גזע. אנו מנהלים את הניסויים בתנאי תאורה הסביבה מבוקרת באופן מלא שבו מלבד גירויים אור כחול אנו מספקים אור אדום בלעדית, עם פליטת שיא באורך גל 650 ננומטר. כאשר הם מגיעים לקטיון ברשת התמיכה המכנית, הם עושים החלטה בינארית אם לצמוח שמאלה או ימינה. הרובוטים מוצבים בבייונים מכניים אלה, המופרדים באמצעות מרחקים של 40 ס מ. הם באופן עצמאי להפעיל ולבטל את emittance אור כחול שלהם, עם פליטת שיא באורך גל 465 ננומטר, על פי מפה מוגדרת מראש של דפוס הצמיחה הרצוי (במקרה זה, תבנית זיגזג). בדרך זו, הצמחים מונחים מתוך הביקטיון לביפריון ברצף מוגדר. רק רובוט אחד מופעל בזמן נתון-במהלכו הוא פולט אור כחול בזמן שהוא מנטר באופן עצמאי את צמיחת הצמח על התמיכה המכנית מתחתיו. ברגע שהוא מזהה טיפ גדל באמצעות חיישני הקירבה שלה אינפרא אדום, הוא מפסיק פולט אור כחול מתקשר רובוטים השכנה שלה באמצעות רדיו. הרובוט הקובע את עצמו להיות המטרה הבאה ברצף ואז מפעיל לאחר מכן, מושך את צמיחת הצמח לעבר ביפוריון מכני חדש.
כאשר הגישה שלנו משלבת גם מנגנונים מהונדסים וטבעית, הניסויים שלנו כוללים מספר שיטות הפועלות בו זמנית ובאופן בדידתי. הפרוטוקול כאן מאורגן לראשונה בהתאם לסוג השיטה, שכל אחד מהם חייב להיות משולב לכיוונון ניסוי אחיד. סוגים אלה הם בחירת מינים צמח; עיצוב הרובוט כולל חומרה ומכניקה; רובוט תוכנה לתקשורת ובקרה; והניטור והתחזוקה של בריאות הצמח. הפרוטוקול ממשיך עם עיצוב הניסוי, ואחריו איסוף נתונים והקלטה. לפרטים מלאים על תוצאות שהתקבלו עד כה, ראו והוובי ואח ‘14. תוצאות הנציג לכסות שלושה סוגים של ניסויים-בקרה ניסויים שבו כל הרובוטים לא לספק גירויים (כלומר, הם רדומים); החלטה יחידה ניסויים שבו הצמח עושה בחירה בינארית בין גירויים אחד-מתן רובוט אחד רדום; וניסויים בריבוי החלטות שבהם המפעל מנווט רצף של בחירות בינאריות לגידול תבנית מוגדרת מראש.
המתודולוגיה המוצגת מראה שלבים ראשוניים לאוטומציה של היגוי מונחה גירויים של צמיחת צמחים, כדי ליצור דפוסים מסוימים. זה דורש תחזוקה רציפה של בריאות הצמח תוך שילוב לתוך ניסוי אחד להגדיר את המחוזות ברורים של תגובות הצמיחה הביוכימי ו מהונדסים פונקציות mechatronic-חישה, תקשורת, ודור מבוקרת של גירויים. ההתמקדות שלנו כאן היא על צמחי טיפוס, תמיכה מכנית הוא גם אינטגרלי. מגבלה של הכיוונון הנוכחי הוא קנה המידה שלה, אבל אנחנו מאמינים המתודולוגיה שלנו בקלות קשקשים. הפיגום מכני יכול להיות מורחב עבור כיוונונים גדולים ולכן תקופות ארוכות יותר של צמיחה, אשר גם מאפשר תצורות מורחבות דפוסים. כאן ההתקנה מוגבלת לשני ממדים והחלטות בינאריות שמאל-ימין, כמו צמיחה מוגבלת לרשת של תמיכה מכנית ב 45 ° מעלות, ומיקומי החלטות הצמח מוגבלים הבייונים של הרשת. הרחבות מכניות עשויות לכלול שלושה מקפלים של פיגומים וחומרים שונים, כדי לאפשר צורות מורכבות9,19. המתודולוגיה יכולה להיחשב למערכת שתגדל באופן אוטומטי דפוסים שהוגדרו על-ידי משתמש. על ידי הרחבת המורכבות האפשרית של תצורות מכניות, משתמשים צריכים להתמודד עם מגבלות מעטות על דפוסי המבוקש שלהם. עבור יישום כזה, כלי תוכנה של המשתמש צריך לאשר את התבנית היא לכאורה, ואת מכטרוניקה צריך לאחר מכן לארגן את הייצור של הדפוס על ידי יצירת גירויים מתאימים כדי לנווט את הצמחים. התוכנה צריך גם להיות מורחב כדי לכלול תוכניות שחזור ומדיניות הקובעות כיצד להמשיך עם הצמיחה אם הדפוס המתוכנן המקורי נכשל באופן חלקי-למשל אם הרובוט הפעיל הראשון מעולם לא זיהה צמח אבל הרדומים יש ראה כי המיקום של הטיפים גדל הם מעבר הרובוט המופעל.
במתודולוגיה המוצגת, דוגמה מינים צמח לפגוש את קריטריוני בחירת הפרוטוקול הוא שעועית משותפת טיפוס, P. vulgaris. זהו המין המשמש בתוצאות הנציגים. כמו P. vulgaris יש phototropism חיובי חזק כדי UV-A ו אור כחול, phototropins (חלבונים קולטן האור) במפעל יספוג פוטונים המתאימים אורכי גל 340-500 nm. כאשר הקולטנים מופעלים, הנפיחות הראשונה תתרחש בגבעול על ידי העתקת מועדפים של מים לרקמות הגזע המתנגדים קולטנים מופעלים, גרימת תגובה כיוונית הפיך. לאחר מכן, בתוך הגבעול, האוקבין (הורמון המכונה הצמח) מופנה לאותו מיקום רקמות, להנציח את תגובת כיוונית ותיקון רקמות גזע כפי שהם להתקשות. התנהגות זו יכולה לשמש לעיצוב הצמחים בתנאים אלה מקורה מבוקרת, כמו הצמחים חשופים רק אור כחול בודד ואור אדום מבודד, עם תקרית אור אדום רחוק מחיישנים IR-סמיכות ברמות נמוכות מספיק כי זה לא מפריע עם התנהגויות כגון התשובה למניעת צל20,21. תגובת phototropism במפעל מגיב ההתקנה לאור של דיודות כחולה עם פליטת שיא ƛmax = 465 nm, ו הפוטוסינתזה22,23 במפעל נתמך על ידי דיודות אדום עם פליטת שיא ƛmax = 650 nm. P. vulgaris גדל עד כמה מטרים בגובה מתאים ההתקנה הכללית, כמו בערך 3 L של קרקע גינון מסחרי הדרושים לכל סיר מתאים את קנה המידה ההתקנה.
למרות שההתקנה הנוכחית מתמקדת באור כגירוי משיכה, ייתכן שגירויים נוספים יהיו רלוונטיים לסוגי ניסוי אחרים. אם הדפוס הרצוי דורש הפרדה בין קבוצות שונות של צמחים (למשל, את הדפוס הרצוי צריך שתי קבוצות של צמחים לבחור בצדדים מנוגדים), אז זה לא יכול להיות אפשרי באמצעות סוג אחד בלבד של גירוי. עבור דפוסי צמיחה מורכבים כאלה ללא תלות בצורת פיגום, קבוצות שונות של צמחים יכולים לצמוח בתקופות זמן שונות, כך שגירויים האטרקציה שלהם אינם מפריעים, אשר גם יאפשרו שילוב של הסתעפות אירועים. עם זאת, זה לא תמיד יכול להיות פתרון מתאים, ואת הגירוי הסטנדרטי האטרקטיבי האור יכול להיות מוגבר על ידי השפעות להדוף כגון הצללה, או על ידי גירויים אחרים כמו אור אדום או מנועי רטט9,14.
השיטה המוצגת ועיצוב הניסוי הם רק צעד ראשון ראשוני לקראת מתודולוגיה מתוחכמת כדי להשפיע באופן אוטומטי על צמיחה כיוונית של צמחים. כיוונון הניסוי הוא בסיסי על-ידי קביעת רצף של החלטות בינאריות במפעלים ואנו מתמקדים באחד, קל לנהל גירוי. מחקרים נוספים יידרשו להוכיח את המשמעות הסטטיסטית של השיטה, להוסיף גירויים נוספים ולשלוט בתהליכים אחרים כגון הסתעפות. עם התפתחות מספקת כדי להבטיח את האמינות לטווח ארוך של הרובוטים, המתודולוגיה המוצגת עלולה לאפשר אוטומציה של ניסויים בצמחים על פרקי זמן ארוכים, הפחתת התקורה הקשורה למחקר של שלבי פיתוח צמחים . מעבר לזה של הצילומים שיטות דומות יכולות לאפשר לחקירות עתידיות לתוך הדינמיקה הבין-ביולוגית בין אורגניזמים ביולוגיים ורובוטים אוטונומית, כאשר שני הפועלים מצמידים בחוזקה מערכות ביו-היברידיות.
The authors have nothing to disclose.
מחקר זה נתמך על ידי הפרויקט פלורה robotica שקיבל מימון של אופק של האיחוד האירופי של 2020 תוכנית המחקר והחדשנות תחת הסכם המענק, מס ‘ 640959. המחברים מודים Anastasios Getsopulos ואוואלד נויפלד על תרומתם בהרכבת החומרה, ו Tanja קתרינה קייזר על תרומתו לניטור ניסויים בצמחים.
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 |