机器人传感和刺激为引导植物生长提供

1. 植物品种选择程序 注:此协议侧重于与攀爬相关的植物行为、对光的定向响应,以及特定季节、位置和实验条件下植物的健康和生存。 选择已知在生长提示中显示强正光动力15、16朝 UV-A 和蓝光(340–500 nm)的植物物种。 选择一个物种是一个风向,其中环流17行为是明显的,生长尖端有螺旋轨迹,具有足够大的振幅,以绕风周围的机械支架用于特定的实验条件。所选绕风机表现出的缠绕18行为应容忍实验中的环境和营养条件,并应容忍倾斜角度高达 45° 的机械支撑。 选择在实验条件下可靠、快速生长的物种,平均生长速度不低于每天5厘米,如果可能,最好更快。 选择将显示当前季节和地理位置中所需行为的物种。 确保物种能够承受实验设置中存在的环境参数范围。工厂应容忍无绿灯和可见光谱(400–700 nm)外无光。工厂还应容忍当前温度的任何波动,保持在大约 27°C,以及当前湿度和浇水的任何波动。 2. 机器人条件和设计 使用单板计算机将机器人功能组织到分散的节点中(参见图1和图2),集成到模块化机械支架中。确保每个相同的机器人节点能够控制和执行自己的行为。 对于机器人向植物提供刺激,请以可控的间隔向植物提供蓝光(400–500 nm),其强度将触发其光向响应,从实验各部分所需的方向和方向. 选择红-绿-蓝 (RGB) 发光二极管 (LED) 或隔离的蓝色 LED。在这两种情况下,都包括带有蓝色二极管的蓝色二极管的 LED,最大发射值 = 465 nm。 选择一个 LED,当这些 LED 以分组聚集并在使用机器人的精确条件下设置时,可以在实验设置中测试的每个方向中保持所需的光强度级别。对于测试的每个方向,确保单个机器人 LED 中的蓝色二极管能够共同保持大约 30 流明的光强度级别,而不会过热,当位于已利用的机器人外壳中且任何已利用的散热策略。所选 LED 的视角应约为 120°。注:例如,在机器人使用每个方向三个 LED 时,如果蓝色二极管发出最大光强 = = 15 流明,则它们应该能够保持最大 65% 的功率。 通过 LED 驱动器将 LED 连接到机器人的单板计算机,该驱动器可根据所需的亮度调节电源。启用单独的控制,每个 LED 或 LED 组,为在设置中测试的每个方向提供服务。 对于接近植物生长尖的传感过程(参见图 3B),使用红外接近(红外接近)传感器的经过处理的读数,可靠、自主地检测从测试的每个方向接近的植物是否存在在设置中。 选择红外接近传感器,定期检测所选植物物种的生长尖端,当排列垂直于植物接近方向的中轴时,在畅通无阻的环境中进行测试。确保从 5 厘米的距离开始进行成功检测,如图3A所示,从水平轴上标有”07.04.16″的时间戳开始。 将每个红外接近传感器与机器人的单板计算机接口,并实现加权算术均值方法,将传感器读数处理成确定工厂是否存在在 5 厘米以内。五s给出检测中使用的最终平均重量的20%。 确保所选红外接近传感器不发出可能干扰所选物种的光驱动行为的关键波长。确保传感器发射的波长低于 800 nm 时,距离传感器的红外源的距离不超过 5 mm,通过光谱仪进行测量。 将实验功能分布在一组机器人上,以便每个机器人可以自主管理在其本地进行的部分。根据所测试的植物生长方向,安排机器人提供光刺激和传感能力。 围绕启用无线局域网 (WLAN) 的单板计算机组成每个机器人。通过自定义印刷电路板 (PCB) 将计算机与传感器和执行器连接。使用自己的电池备份为每个机器人单独供电。 根据上述要求,每个方向包括一个红外接近传感器,用于接近工厂。 包括足够的 LED,以提供上述蓝光要求,每个方向都经过测试,以便接近工厂。 如果使用 RGB LED 而不是蓝色 LED,则在不使用蓝色二极管时,可选择启用红色二极管的射电功能,以增强下面描述的红光传递(通过光合作用支持为植物健康)。 如果以特定间隔从机器人发出红光,则使用峰值发射约为 ±最大 ± 625–650 nm 的红色二极管,且没有关键波长与绿色波段(即低于 550 nm)或远红色波段(即高于 700 nm)重叠。 不要让红色二极管产生高于蓝色二极管的热水平。 包括支持机器人之间本地提示的硬件。为相邻机器人的每个方向包括光敏电阻器(即光相关电阻器或 LDR),以监控其光射电状态。或者,通过 WLAN 传达本地邻居的状态。 根据所选蓝色二极管和使用的机器人外壳的条件要求,包括用于散热的硬件。由铝散热器、机器人外壳中的通风口和风扇组合执行。通过单板计算机或补充 PCB 上的数字温度传感器激活风扇。 组织机器人部件,使相关方向得到统一维修。 将蓝色二极管定位为植物可能接近的每个方向分配等效的光强度(即,从连接到机器人下半部分的机械支架,请参阅步骤 2.5)。定位机器人情况下的每个二极管,使其透镜角度的中心轴在机械支撑的每个轴的 60° 范围内,并将其定位为不被机器人外壳阻塞。 将红外接近传感器与各自的接近生长方向(即从连接到机器人下半部分的机械支架)进行等效定位,参见步骤 2.5。将每个红外接近传感器放置在机械手与正在维修的机械支架之间连接点 1 厘米内,并将其定向,使其视角与支撑轴平行。确保其发射器和接收器未被机器人外壳阻塞。 在设置中,针对面向相邻机器人的每个方向(即,从连接到机器人的所有机械支架,以等效方式放置用于本地通信的任何光敏电阻器),参见 2.5。定位每个光敏电阻器,使其视角的中心轴在其服务的支撑轴的 45° 范围内,并且位置不被机器人外壳阻塞。 使用单板计算机组装所有组件(参见图 2中的框图)。确保组装后可以轻松访问计算机进行维护。 使用脉冲宽度调制通过 LED 驱动器将 LED 接口到计算机。在 LED 和外壳或散热器之间使用固定的机械连接,并在 LED 和计算机之间使用机械无约束的连接。 使用通用输入/输出头引脚通过线性稳压器(即开关)将风扇连接到计算机。在有足够的气流的地方固定风扇,同时确保不施加机械应力。 通过模拟到数字转换器,使用串行外设接口接口接口红外接近传感器和光敏电阻器。使用从传感器到外壳的固定机械连接,以及与计算机的机械无约束连接。 使用选择性激光烧结、立体光刻、熔融沉积建模或注塑用耐热塑料制造机器人外壳。 将机器人集成到一组模块化机械支架中,将机器人双管齐下,并充当植物的攀爬脚手架,从而限制植物可能的平均生长轨迹。将机器人设计为支架之间的辅助机械接头,定位它们与植物生长轨迹相交。 最小化机器人的大小,并确保它能够可靠地被所选植物物种的无支撑生长尖端超越。尽可能减小机器人尺寸,提高实验速度。 当生长的尖端逐渐在机器人周围导航时,将机器人体的外壁塑造成尽可能不显眼的植物生长。圆或面的机器人身体,不阻止在缠绕植物物种的环状的螺旋轨迹。排除尖锐的突起和急性凹痕。 为机械支架选择材料和轮廓(即横截面形状),以便所选植物物种可以有效地攀爬它,例如直径约为 8 mm 或更短的圆形轮廓的木棒。确保机械支架的结构足够坚固,足以支持设置中的植物和机器人,并在设置后面加上透明丙烯酸板。 在每个机器人上包括连接点,以锚定指定的机械支架。为植物可能接近或离开机器人的每个方向包括一个。 对于每个连接点,在机器人外壳中包括一个套接字,其尺寸与支撑材料的横截面相匹配。 将插座的深度设置为不少于 1 厘米。保持插座足够浅,使支架不会与机器人内部的组件碰撞。 以定期网格化的图案排列机械支架,均匀对角,倾斜角为 45°或更陡。使支架的长度均匀。支撑的最小暴露长度为 30 厘米,以便在探索不受支持的区域后,为攀爬植物提供足够的空间。首选的外露长度为40厘米或以上,为统计上极端的植物附着情况留出一些缓冲。 将机械元件与机器人组装。以下协议假定公开支撑长度为 40 厘米,并在四行中设置 8 个机器人(参见图 6)。对于其他大小,相应地缩放。 在地板表面上,构建一个 125 厘米宽的支架,能够将设置保持直立。 将 125 厘米 x 180 厘米(8 毫米厚或更多)的透明丙烯酸贴在支架上,使其直立。 将带有适当土壤的锅放在支架上,靠在丙烯酸板上。 将两个机械 y 接头固定在丙烯酸板上,在锅上方 10 厘米。将接头分别放置在支架左边缘的右侧 45 厘米和 165 厘米。 将两个支架固定在左侧 y 型接头上,向左倾斜 45°,向右倾斜 45°,将一个支架固定到右侧 y 型接头上,向左倾斜 45°。 将两个机器人固定在丙烯酸板上,并将先前放置的支架的末端插入机器人箱中的插座中。将机器人放置在 y 接头上方 35 厘米、支架左边缘右侧 10 厘米和 80 厘米的位置。 重复该模式,将剩余的机器人和支撑固定在对角网格图案(参见图6),这样每行机器人比前一行高 35 厘米,并且每个机器人都水平地位于机器人或 y 关节的正上方,即它下面两行。 3. 机器人软件 在机器人的单板计算机上安装操作系统(例如 Raspbian)。 在每个实验中,并行运行每个机器人的软件协议,实现其分布式自主行为(有关伪代码和更多详细信息,请参阅 Wahby 等人14)。 为机器人建立两种可能的状态:一种是刺激状态,在此期间,机器人以上述强度发出蓝光;另一种是休眠状态,在此期间,机器人要么发出不发光,要么发出上述红光。 在刺激状态下,通过单板计算机发送脉冲宽度调制 (PWM) 信号,频率与蓝色LED 驱动器所需的亮度相对应。 在休眠状态下,不触发 LED,或者如果需要,仅向红色LED 驱动器发送 PWM 信号。 在控制实验中,将所有机器人分配休眠状态。 在单决定实验中,将一个机器人指定休眠状态,给一个机器人指定刺激状态。 在多决策实验中,启动初始化过程,如下所示。 向每个机器人提供植物生长模式的完整配置图,供当前实验中测试。 设置机器人在模式中的位置,自动使用定位传感器或手动设置。 将机器人的位置与提供的地图进行比较。如果机器人的位置是地图上的第一个位置,则将机器人设置为刺激;否则,将机器人设置为休眠状态。初始化过程结束。 在多决策实验中,启动指导过程,如下所示。迭代执行。 检查机器人的红外接近传感器读数,查看是否检测到工厂。 如果检测到植物,并且机器人被设置为休眠,则维护。 如果检测到植物,并且机器人设置为刺激,则: 通知相邻的相邻机器人已检测到工厂,并在消息中包括机器人的位置。 将机器人设置为休眠状态。 将机器人的位置与地图进行比较。如果机器人位于地图上的最后一个位置,则通过 WLAN 发送一个信号,表明实验已完成。 检查机器人从邻近的邻近机器人传入的消息,看看其中一个被设置为刺激的机器人是否检测到植物。 如果刺激邻居检测到植物,请将该邻居的位置与机器人的位置进行比较,并将该位置与地图进行比较。 如果机器人位于地图上的后续位置,则将机器人设置为刺激。 一旦收到实验完成的信号,结束转向过程的迭代循环。 4. 工厂健康监测和维护程序 在受控环境条件下定位实验设置,具体来说,在室内,在以下所述条件下没有射天或其他光线,控制空气温度和湿度,并控制土壤浇水。使用连接到微控制器或启用 WLAN 的单板计算机的传感器监视条件。 使用机器人外部的 LED 生长灯维护植物光合作用,并面向实验设置。 使用生长灯向设置提供单色红光,红色二极管的峰值发射速度约为 ±最大± 625–650 nm,在 550–700 nm 范围内没有关键波长,但环境蓝光的入射率较低除外。有助于选定物种的健康。如果包含低环境蓝光的入射率,则限制在单个机器人发出的微小比例。 提供选定物种健康所需的红灯水平,通常总计约 2000 流明或更多。 将生长灯定向到实验设置,使其可均匀地分布在生长区域。 使用 RGB 颜色传感器监控环境光照条件。 发芽后,在实验设置的基础上为每个植物提供自己的锅。为所选物种提供适当的土壤体积和类型。确保土壤和种子在发芽前已经消毒。使用适当的害虫控制方法,防止或管理昆虫,如果存在。 使用加热器、空调、加湿器和除湿器,相应地调节空气温度和湿度水平。使用温度压力湿度传感器监控液位。 使用土壤水分传感器监控土壤。保持所选物种的适量浇水率。使用自动浇水系统执行,通过喷嘴将水输送到土壤,由土壤湿度传感器读数触发,或由传感器读数调节的土壤手动输送。 5. 实验设计 将机器人和机械支架放置在足够大的网格中,以覆盖实验中测试的生长区域和模式,不小于一排和两列机器人。 在机器人底部行下方,放置一排标准对角线机械支架,在整个设置过程中匹配这些支架。当这些支架的下端相交时,用”y 接头”机械地将它们连接在一起。对于设置基地的每个”y-关节”,根据对角网格单元的大小(大约每 10 厘米暴露的机械支撑长度大约一个工厂),根据上述工厂健康维护条件,种植均匀数量的植物。 选择要运行的实验类型,并在相关位置选择机器人的数量和分布。 实验类型 1:控制注:此实验类型测试攀爬植物在没有光刺激的条件下的生长,以触发光动。它可以运行在设置的任何大小和形状。 为所有机器人分配休眠状态(参见步骤 3.4),并持续运行,直到手动评估结果完成。 观察植物是否附着在机械支架上。在成功的实验中,没有一个植物会找到或附着在机械支架上。 实验类型 2:单一决策注:此实验类型测试植物的生长轨迹时,提出了二元期权 – 一个支持导致休眠机器人和一个支持导致刺激机器人。它仅在最小设置(即一行、两列)上运行。 将一个机器人指定休眠状态(参见 3.5),将一个机器人指定刺激状态。连续运行,直到两个机器人中的一个检测到使用红外接近传感器的工厂。 观察机械支撑的植物附件、支撑生长以及刺激机器人的传感器读数。在一次成功的实验中,具有刺激状态的机器人在植物沿着各自的支架生长后,将检测到它。 实验类型 3:多决定注:此实验类型测试植物的生长情况,当出现多个后续刺激条件时,根据预定义的全局图触发一系列决策。它可以在超过最小行数(即两个或更多)的设置的任何大小和形状上运行。 向机器人提供要生长的模式全局地图(参见步骤 3.6-3.7.7)。 观察沿机械支架的植物附件事件和生长模式。 在成功的实验中,全球地图上每个支持上至少会生长一种植物。 此外,在成功的实验中,当其生长尖端位于当前活动决策点时,任何工厂都未选择错误的方向。 如果分支事件将新的增长提示放在地图上的过时位置,则不要在此处考虑无关的增长提示。 6. 记录程序 最初将数据存储在板载生成数据的单板计算机中,存储来自传感器和摄像机的数据。运行响应所需请求(如上次存储的传感器读数)的板载应答服务器。定期通过 WLAN 将数据和日志文件上载到本地网络连接的存储 (NAS) 设备。 使用位于两个或多个有利位置的摄像机连续捕获实验的延时视频,至少一个摄像机视图包含完整的实验设置。确保捕获的图像分辨率足够高,足以充分捕捉植物生长技巧的运动,通常只有几毫米的宽度。 使用单板计算机上的板载摄像机或使用间隔计自动执行的独立数码相机,自动执行图像捕获过程,以确保拍摄之间的时间间隔一致。安装灯作为闪光灯,与摄像机类似自动。确保闪光灯足够明亮,足以与生长灯的红光竞争,而无需对图像进行大幅后处理以进行色彩校正。 找到闪烁,使实验设置可以完全照亮,因此在图像中清晰可见。同步摄像机和闪光灯,以便所有摄像机在 2 s的闪光期间同时捕获图像。在每个实验期间,每 2 分钟捕获一次图像。 记录环境传感器数据,特别是温度压力湿度传感器、RGB 颜色传感器和土壤湿度传感器的读数。记录设置中所有机器人的数据,特别是红外接近传感器和光敏电阻读数,以及定义其 LED 消除状态的机器人的内部状态。 通过定期实时报告,提供所有记录的数据,以便对实验进行远程监控,以确保在长达数月的完整实验期间保持正确的状态。