Sensoriamento robótico e provisão de estímulos para crescimento de plantas guiadas

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. 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. 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 °. 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. Selecione uma espécie que exibirá os comportamentos necessários na época atual e na localização geográfica. 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 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. 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 . 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. 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.) 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. Inclua um sensor da IR-proximidade por o sentido que está sendo testado para as plantas de aproximação, de acordo com as exigências acima. 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. 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). 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). Não permita que os díodos vermelhos produzam níveis de calor superiores aos dos diodos azuis. 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. 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. Organize os componentes do robô de modo que as direções relevantes sejam uniformemente atendidas. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. Para cada ponto de fixação, inclua um soquete no estojo do robô, com dimensões correspondentes à seção transversal do material de suporte. 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. 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. 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. Na superfície do assoalho, construa um carrinho 125 cm largamente que seja capaz de prender a instalação em uma posição ereta. 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. Posicione os potenciômetros com o solo apropriado no carrinho, de encontro à folha acrílica. 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. 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. 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. 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 Instale um sistema operacional (por exemplo, Raspbian) nos computadores de placa única dos robôs. 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). 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. 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. Em estado inativo , acionar sem LEDs, ou se necessário enviar um sinal PWM para apenas os drivers LEDs vermelhos . Em experimentos de controle , atribua todos os robôs o estado inativo . Em experimentos de decisão única, atribua um robô o estado inativo e um robô o estado de estímulo . Em experimentos de várias decisões , inicie o processo de inicialização , da seguinte maneira. Forneça a cada robô um mapa de configuração completo do padrão de crescimento vegetal a ser testado no experimento atual. Defina a localização do robô dentro do padrão, seja usando automaticamente sensores de localização ou manualmente. 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. Em experimentos de múltiplas decisões , inicie o processo de direção , como a seguir. Executar iterativamente. Verifique a leitura do sensor de proximidade IR do robô para ver se uma planta foi detectada. Se uma planta é detectada e o robô é ajustado a inativo, a seguir mantem. Se uma planta é detectada e o robô é ajustado ao estímulo, a seguir: Notifique os robôs vizinhos adjacentes que uma planta foi detectada e inclua a localização do robô na mensagem. Defina o robô como inativo. 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. Verifique as mensagens recebidas do robô de seus robôs vizinhos adjacentes para ver se um deles que foi definido como estímulo detectou uma planta. Se um vizinho de estímulo detectou uma planta, compare a localização do vizinho com a localização do robô e também Compare com o mapa. Se o robô estiver no local subsequente no mapa, defina o robô como estímulo. 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 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. Mantenha a fotossíntese vegetal usando lâmpadas de crescimento LED externas aos robôs e enfrentando a configuração do experimento. 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. Forneça os níveis da luz vermelha exigidos para a saúde das espécies selecionadas, geralmente aproximadamente 2000 lúmens ou mais no total. 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. Monitore as condições de luz ambiente usando um sensor de cor RGB. 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. 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. 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 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. 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. Selecione um tipo de experimento a ser executado e, quando relevante, selecione uma quantidade e distribuição de robôs. Experimento tipo 1: controleNota: 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. 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. Observe se as plantas se unem aos suportes mecânicos. Em um experimento bem-sucedido, nenhuma das plantas encontrará ou anexará aos suportes mecânicos. Experimento tipo 2: decisão únicaNota: 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). 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. 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. Experimento tipo 3: múltipla-decisãoNota: 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). Forneça aos robôs um mapa global do teste padrão a ser crescido (veja etapas 3.6-3.7.7). Observe os eventos de fixação da planta e o padrão de crescimento ao longo dos suportes mecânicos. Em um experimento bem-sucedido, pelo menos uma planta terá crescido em cada suporte presente no mapa global. 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. 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 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). 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. 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. 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. 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. 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.