Dağıtılmış robot düğümleri, tırmanma bitkilerin büyüme yörüngeleri yönlendirmek için mavi ışık uyaranlara dizileri sağlar. Robotların doğal fototropizm aktive ederek, ikili sol-sağ kararlar ile bitkiler rehberlik, önceden tanımlanmış desenler içine onları büyüyen aksine robotlar uykuda olduğunda mümkün değildir.
Robot sistemleri, genellikle hasat, sulama ve mekanik ot kontrolü gibi Tarımsal Otomasyon faaliyetleriyle sınırlı doğal bitkilerin manipülasyon için aktif olarak araştırılmaktadır. Bu araştırma genişletme, biz burada bir yeni metodoloji tanıtma ve hormon dağılımı için doğal mekanizmalar aracılığıyla bitkilerin yönlü büyüme işlemek için. Robotik uyaranlara yönelik etkili bir metodoloji, bitkilerin daha sonra gelişimsel aşamaları ile yeni deneyler için veya yeşil duvarlar için bitkiler şekillendirme gibi yeni biyoteknoloji uygulamaları için olanaklar açabilir. Bitkiler ile etkileşim, küçük ve değişken bitki organlarının kısa menzilli algılama ve sağlanan uyaranlara ek olarak çevre tarafından etkilenen bitki yanıtlarının kontrollü çalıştırması da dahil olmak üzere çeşitli robotik zorluklar sunar. Bitki büyümesini yönlendirmek için, biz artan ipuçları yakınlığı algılamak için sensörler ile bir grup Mobil robotlar geliştirmek, ve diyotlar ile fototropism harekete ışık uyaranlara sağlamak için. Robotlar tırmanma ortak fasulye ile test edilmiştir, Phaseolus vulgaris, kontrol edilmiş bir ortamda beş hafta kadar süreleri olan deneyler. Robotlarla ardışık olarak mavi ışık zirvesinde emisyon dalga boyu 465 nm-bitki büyüme başarıyla hedef pozisyonlara ulaşmak için mekanik destekler boyunca ardışık ikili kararlar ile yönlendirdim. Büyüme desenleri, yaklaşık yedi haftalık bir süre içinde toplam uzunluğu 250 cm ‘ye kadar yetiştirilen bitki ile yükseklik 180 cm kadar bir kurulum test edilir. Robotlar kendilerini koordine ve tamamen özerk çalışır. Onlar kızılötesi yakınlık sensörleri tarafından yaklaşan bitki ipuçları algılayabilir ve mavi ışık uyaranlara ve uyku durumu arasında geçiş yapmak için radyo ile iletişim, gerektiği gibi. Genel olarak, elde edilen sonuçlar, doğal ve mühendislik otonom sistemler arasında potansiyel olarak karmaşık etkileşimlerin çalışması için, robot ve bitki deney metodolojilerini birleştirerek etkinliğini destekler.
Üretim ve üretimde otomasyonun artan prevalansı ile uyumlu olan robotlar,1,2,3,4,5, ekmek, tedavi ve hasat tesislerinde kullanılmaktadır. Tesis deneylerini non-invazif bir şekilde otomatikleştirmek için robot teknolojisini kullanıyoruz, uyaranlara yönlü tepkiler yoluyla büyüme ile direksiyon amacı ile. Geleneksel bahçe uygulamaları mekanik kısıtlama ve kesme ile ağaçlar ve çalılar manuel şekillendirme dahil ettik. Büyüme desenlerini uyaranlarla yönlendirerek, örneğin bu şekillendirme görevine uygulanabilir bir metodoloji sunuyoruz. Bizim sunulan metodolojisi de otomatik bitki deneylerine doğru bir adımdır, burada ışık uyaranlara sağlamak için belirli bir odak ile. Teknoloji sağlam ve güvenilir hale gelmeden önce, bu yaklaşım, bitki deneylerinde maliyetleri azaltmak ve zaman ve manuel işçilik nedeniyle Aksi takdirde olanaksız olacak yeni otomatik deneyler için izin potansiyeli vardır. Robotik unsurlar serbestçe programlanabilir ve sensörler, uyaranlar için aktüatörler ve mikroişlemciler ile donatılmıştır gibi otonit hareket. Biz burada yakınlık algılama (yani, yakın menzilli mesafeler ölçme) ve ışık uyaranlara odaklanmak, diğer birçok seçenek mümkündür. Örneğin, sensörler bitki rengini analiz etmek, biyokimyasal aktivite6izlemek için veya bitki elektrofizyolojisi8ile örnek çevre koşullarını izlemek için phytosensing7 yaklaşımlar için kullanılabilir. Benzer şekilde, aktüatör seçenekleri, titreşim motorları, püskürtme cihazları, ısıtıcılar, fanlar, gölgelendirme cihazları veya yönlendirilmiş fiziksel temas için manipülatörler aracılığıyla diğer uyaranlara9tür sağlayabilir. Robotlara (örneğin, ‘ yavaş botlar ‘10) yavaş hareketlilik sağlamak için ek Aktüasyon stratejileri uygulanabilir, böylece onlar uyaran sağlayan pozisyon ve yönünü kademeli olarak değiştirebilir. Ayrıca, robotlar tek tahta bilgisayarlar ile donatılmış olarak, onlar gibi daha sofistike süreçler çalışabilir bitki phenoyping için vizyon11 veya yapay sinir ağ denetleyicileri uyaran Aktüasyon için12. Bitki bilimi araştırma odağı genellikle erken büyüme üzerinde olduğu gibi (yani, çekimde)13, daha uzun dönemler üzerinde bitkiler etkilemek için otonom robot sistemleri kullanarak tüm etki alanı incelenmiş görünüyor ve birçok gelecekteki fırsatlar sunabilir. Hatta bir adım daha ileri, robotik unsurları araştırma nesneleri olarak görülebilir, Bio-hibrid sistemlerin karmaşık dinamikleri çalışma robotlar ve bitkiler yakından etkileşim tarafından oluşturulan çalışmaya izin. Robotlar seçici olarak bitkiler üzerinde uyaran empoze, bitkiler kendi adaptif davranışlarına göre tepki ve daha sonra onların sensörler aracılığıyla robotlar tarafından tespit edilir büyüme deseni, değiştirin. Yaklaşımımız bitkiler ve robotlar arasındaki davranışsal geribildirim döngüsünü kapatır ve homeostatik bir kontrol döngüsü oluşturur.
Bizim deneyler robot sisteminin fonksiyonunu test etmek için, biz sadece tırmanma ortak fasulye kullanın, Phaseolus vulgaris. Bu kurulumda, biz bitkiler thigmotropism etkilenir ve seçim için büyüme yönleri sınırlı bir dizi var gibi, genel yüksekliği 180 cm bir gridded iskele mekanik desteği ile, tırmanma bitkiler kullanın. Biz haftalarca bir süre boyunca tüm bitki şekillendirmek istiyorum göz önüne alındığında, biz genç çekmeleri ve daha sonra kök sertleştirme dahil olmak üzere farklı büyüme dönemleri üzerinde, makroskopik olarak bitkinin phototropism etkilemek için mavi ışık uyaranlara kullanın. Biz sadece kırmızı ışık sağlamak mavi ışık uyaranlara dışında tam kontrollü ortam ışık koşullarında deneyler yürütmek, tepe salınımı ile dalga boyu 650 nm. Onlar mekanik destek ızgarasında bir çatallanma ulaştığınızda, onlar sol veya sağ büyümek olup olmadığını ikili bir karar yapmak. Robotlar bu mekanik bifurcasyonlar, 40 cm mesafeleri ile ayrılmış konumlandırılmış. Onlar otonit etkinleştirmek ve mavi ışık emittance devre dışı, tepe emisyonu ile dalga boyu 465 Nm, istenilen büyüme deseni önceden tanımlanmış bir harita göre (Bu durumda, bir Zigzag desen). Bu şekilde, bitkiler tanımlanmış bir sırada bifurkasyon bifurakten yönlendirilir. Yalnızca bir robot, belirli bir zamanda aktive edilir, bunun sırasında mavi ışığı yayar ve bunun altındaki mekanik destekte bitki büyümesini otonotik olarak izliyoruz. Bir kez onun kızılötesi yakınlık sensörleri kullanarak büyüyen bir ipucu algılar, mavi ışık yayan durur ve radyo üzerinden komşu robotlar için iletişim kurar. Sırayla sonraki hedef olarak kendisini belirleyen robot daha sonra aktive, yeni bir mekanik Bifurcation doğru bitki büyüme çekiyor.
Yaklaşımımız hem mühendislik hem de doğal mekanizmalara sahip olduğu için, deneylerimiz aynı anda ve karşılıklı olarak çalışan çeşitli yöntemler içerir. Buradaki protokol ilk olarak, her biri Birleşik bir deneme kurulumuna entegre edilmesi gereken yöntemin türüne göre düzenlenir. Bu türler bitki türleri seçkisi; donanım ve mekaniği içeren robot tasarımı; iletişim ve kontrol için robot yazılımı; ve bitki sağlığını izleme ve bakım. Protokol daha sonra veri toplama ve kayıt tarafından izlenen deneme tasarımı ile devam eder. Şimdiye kadar elde edilen sonuçların tam detayları için, bkz: Wahby ve al.14. Temsili sonuçlar üç tür deney kapsar — tüm robotların uyaranlara sahip olmadığı (yani, Uyuyan) deneyler kontrol eder; tek karar deneyler bitki bir uyaranlara arasında ikili seçim yapar-robot sağlayan ve uyuyan bir; ve birden çok karar denemeleri nerede bitki önceden tanımlanmış bir desen büyümek için ikili seçimler dizisi gider.
Sunulan metodoloji, özel desenler oluşturmak için, bitki büyüme stimuli güdümlü direksiyon otomatikleştirme doğru ilk adımları gösterir. Bu, tek bir deney kurulumunda biyokimyasal büyüme yanıtlarının farklı alemleri ve mühendislik Mekatronik fonksiyonları-algılama, iletişim ve uyaranların kontrollü nesil birleştirerek bitki sağlığını sürekli bakım gerektirir. Burada odaklanmamız gibi bitkiler tırmanma, mekanik destek de ayrılmaz bir parçasıdır. Geçerli kurulum bir sınırlama onun ölçek, ama biz metodolojisi kolayca ölçekler inanıyoruz. Mekanik iskele daha büyük kurulumlar için uzatılabilir ve bu nedenle daha uzun büyüme dönemleri, bu da genişletilmiş yapılandırmaları ve desenleri sağlar. Burada kurulum iki boyut ve ikili sol-sağ kararlar ile sınırlıdır, büyüme mekanik destek 45 ° eğim bir ızgara ile sınırlı olduğu gibi, ve bitki karar pozisyonları bu ızgaranın bifurcations sınırlıdır. Mekanik uzantılar, karmaşık şekiller için izin vermek için 3D iskele ve farklı malzemeler içerebilir9,19. Metodoloji, bir kullanıcı tarafından tanımlanan desenleri otomatik olarak büyütmek için bir sistem olarak kabul edilebilir. Mekanik konfigürasyonların olası karmaşıklığını genişleterek, kullanıcıların istenilen desenler üzerinde birkaç kısıtlama karşı karşıya olmalıdır. Böyle bir uygulama için, bir kullanıcı yazılım aracı desen üretilebilir olduğunu teyit etmelidir, ve Mekatronik sonra kendi kendine bitkiler yönlendirmek için uygun uyaranlara oluşturarak desen üretimini organize gerekir. Yazılım aynı zamanda orijinal planlı desen kısmen başarısız olursa büyüme ile nasıl devam edeceğini belirleyen kurtarma planları ve politikaları içerecek şekilde uzatılmalıdır-Örneğin ilk aktif robot bir bitki tespit asla ama uyuyan olanlar var büyüyen ipuçlarının konumunun aktif robotun ötesinde olduğunu gördüm.
Sunulan metodoloji, protokol seçim kriterlerini karşılayan bir örnek bitki türleri tırmanma ortak fasulye, P. vulgaris olduğunu. Bu temsili sonuçlarında kullanılan türüdür. P. vulgaris UV-A ve mavi ışık için güçlü pozitif fototropizm olduğu gibi, phototropins (ışık reseptör proteinleri) bitki dalga boylarına karşılık gelen fotonları emer 340-500 Nm. Reseptörler tetiklendiğinde, ilk şişlik, tetiklenen reseptörlere karşı gelen kök dokulara su Tercihli yerleşim tarafından meydana gelecek, geri dönüşümlü bir yön yanıtı neden. Sonra, kök içinde, oksin vardır (bitki desen hormonu) aynı doku konumuna yönlendirilir, yön tepkisi sürdürüyor ve onlar güçlendirerek kök dokularda sabitleme. Bu davranış, bitkiler sadece izole mavi ışık ve izole kırmızı ışık maruz olduğu gibi, bu kontrollü kapalı koşullarda bitkiler şekillendirme için kullanılabilir, onu müdahale etmez düşük yeterli seviyelerde IR yakınlık sensörlerden olay çok kırmızı ışık gölge önleme tepkisi gibi davranışlar ile20,21. Bitkinin phototropism reaksiyon tepe emisyon ƛmax = 465 NM ile mavi diyotlar ışık kurulum yanıt ve fotosentez22,23 bitki içinde tepe emisyon ƛmax = 650 nm ile kırmızı diyotlar tarafından desteklenir. P. vulgaris yükseklik birkaç metre kadar büyüyen genel kurulum uygun, yaklaşık 3 L ticari Bahçe toprak pot başına gerekli kurulum ölçeği uyar.
Mevcut kurulum bir cazibe uyarıcı olarak ışık odaklanır rağmen, ek uyaranlara diğer deneme türleri için ilgili olabilir. İstenilen desen bitkiler farklı gruplar arasında bir ayrım gerektiriyorsa (örneğin, istenilen desen karşı taraf seçmek için bitkilerin iki grup ihtiyacı), o zaman uyaran sadece bir tür kullanılarak uygulanabilir olmayabilir. İskele şeklinden bağımsız bu tür kompleks büyüme desenleri için, bitkilerin farklı grupları potansiyel olarak farklı zaman dilimlerinde yetiştirilebilir, bu da kendi cazibe uyaranların müdahale etmediğini, bu da dallanma entegrasyonu sağlar Olay. Ancak, bu her zaman uygun bir çözüm olmayabilir, ve standart çekici ışık uyarıcı daha sonra gölgelendirme, ya da uzak kırmızı ışık veya titreşim motorları gibi diğer uyarıcılar tarafından azaltma etkileri tarafından artırılmış olabilir9,14.
Sunulan Yöntem ve deney tasarımı, bitkilerin yönlü büyümesini otomatik olarak etkilemek için sofistike bir metodoloji için yalnızca ilk adımıdır. Deney kurulumu, bitkilerin sadece bir dizi ikili kararlar belirleyerek temel ve biz bir odaklanmak, Stimulus yönetmek kolay. Ek çalışmalar yöntemin istatistiksel önemini kanıtlamak için, daha fazla uyarıcı eklemek ve dallanma gibi diğer süreçleri kontrol etmek için gerekli olacaktır. Robotların uzun vadeli güvenilirliğini garanti altına almak için yeterli gelişim ile, sunulan metodoloji uzun süre boyunca bitki deneylerinin otomasyonu için izin verebilir, bitki geliştirme aşamalarında çalışma ile ilgili yükü azaltarak Bu çekimleri ötesinde. Benzer yöntemler, biyolojik organizmalar ve otonom robotlar arasındaki incelenebilir dinamiklere gelecekteki araştırmalar için izin verebilir, iki sıkı birleştiğinde kendi kendini düzenleyen Bio-hibrid sistemleri olarak hareket.
The authors have nothing to disclose.
Bu çalışmada, Avrupa Birliği ‘nin Horizon 2020 araştırma ve yenilik programından fon alan Flora Robotica projesi tarafından desteklenmektedir, No. 640959. Yazar, Anastasios Getsopulos ve Ewald Neufeld ‘e donanım montajında katkılarından ötürü ve Tanja Katharina Kaiser ‘e tesis deneylerinin izlenmesinde katkısı için teşekkür ediyorlar.
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 |