Distributed robot nodes bieden sequenties van blauw lichtprikkels om de groei trajecten van klimplanten te sturen. Door het activeren van natuurlijke fototropisme, de robots begeleiden de planten door middel van binaire links-rechts beslissingen, groeien ze in vooraf gedefinieerde patronen die daarentegen niet mogelijk zijn wanneer de robots slapend zijn.
Robot systemen zijn actief onderzocht voor manipulatie van natuurlijke planten, meestal beperkt tot agrarische automatisering activiteiten zoals oogst, irrigatie, en mechanische onkruidbestrijding. Uitbreiding van dit onderzoek, introduceren we hier een nieuwe methodologie om de directionele groei van planten te manipuleren via hun natuurlijke mechanismen voor signalering en hormoon distributie. Een effectieve methodologie van de Robotica stimuli bepaling kan openstellen mogelijkheden voor nieuwe experimenten met latere ontwikkelingsfasen in planten, of voor nieuwe biotechnologie toepassingen zoals het vormgeven van planten voor groene muren. Interactie met planten presenteert verschillende robotica uitdagingen, met inbegrip van korte-afstand sensing van kleine en variabele planten organen, en de gecontroleerde bediening van de plant reacties die worden beïnvloed door het milieu in aanvulling op de verstrekte stimuli. Om de plantengroei te sturen, ontwikkelen we een groep van Onbeweeglijke robots met sensoren om de nabijheid van groeiende tips te detecteren, en met diodes om licht stimuli die bedienen fototropisme te bieden. De robots worden getest met de klim gemeenschappelijke Boon, Phaseolus Vulgaris, in experimenten met een looptijd tot vijf weken in een gecontroleerde omgeving. Met robots die opeenvolgend blauwe licht-piek emissie bij golflengte 465 nm uitstoten-de installatiegroei wordt met succes gestuurd door opeenvolgende binaire besluiten langs mechanische steunen om doel posities te bereiken. De groeipatronen worden getest in een opstelling tot 180 cm in hoogte, met plant stammen die tot ruwweg 250 cm in cumulatieve lengte over een periode van ongeveer zeven weken worden gekweekt. De robots coördineren zichzelf en opereren volledig autonoom. Ze detecteren naderende planten tips door infrarood proximity sensoren en communiceren via de radio om te schakelen tussen blauwe licht stimuli en sluimerende status, zoals vereist. Over het geheel genomen ondersteunen de verkregen resultaten de effectiviteit van het combineren van robot-en plant experiment methodologieën, voor het bestuderen van potentieel complexe interacties tussen natuurlijke en gemanipuleerde autonome systemen.
Congruent met de toenemende prevalentie van automatisering in de productie en productie, robots worden gebruikt om te zaaien, te behandelen, en oogst planten1,2,3,4,5. We maken gebruik van robot technologie om plant experimenten te automatiseren in een niet-invasieve manier, met het doel van het sturen van de groei via gerichte reacties op stimuli. Traditionele tuinieren praktijken hebben onder meer de handmatige vormgeving van bomen en struiken door mechanische terughoudendheid en snijden. We presenteren een methodologie die bijvoorbeeld kan worden toegepast op deze vormende taak, door het sturen van groeipatronen met prikkels. Onze gepresenteerde methodologie is ook een stap in de richting van geautomatiseerde plant experimenten, hier met een specifieke focus op het verstrekken van lichte stimuli. Zodra de technologie robuust en betrouwbaar is geworden, heeft deze benadering potentieel om kosten in installatie experimenten te verminderen en nieuwe geautomatiseerde experimenten toe te staan die anders onhaalbaar wegens overhead in tijd en handarbeid zouden zijn. De robot elementen zijn vrij programmeerbaar en handelen autonoom als ze zijn uitgerust met sensoren, actuatoren voor stimuli bepaling, en microprocessors. Terwijl we hier focussen op de nabijheid sensing (dat wil zeggen, het meten van afstanden bij close-range) en lichte stimuli, vele andere opties haalbaar zijn. Bijvoorbeeld, sensoren kunnen worden gebruikt om plantaardige kleur te analyseren, om biochemische activiteit6, of voor phytosensing7 benaderingen monitor bijvoorbeeld milieu-omstandigheden door middel van plant elektrofysiologisch8. Op dezelfde manier zouden de actuator opties andere types van stimuli9, door trillings motoren, het bespuiten apparaten, verwarmers, ventilators, het in de schaduw stellen apparaten, of manipulators voor gericht fysiek contact kunnen verstrekken. Extra bedienings strategieën kunnen worden geïmplementeerd om langzame mobiliteit te bieden aan de robots (dat wil zeggen, ‘ Slow bots ‘10), zodanig dat ze geleidelijk kunnen de positie en de richting van waaruit zij stimuli te veranderen. Bovendien, als de robots zijn uitgerust met single-board computers, konden ze lopen meer geavanceerde processen zoals visioning voor plant fenotyping11 of kunstmatige neurale netwerk controllers voor stimuli bediening12. Als de plant Science Research focus is vaak op de vroege groei (dat wil zeggen, in scheuten)13, het hele domein van het gebruik van autonome Robotsystemen om planten te beïnvloeden over langere periodes lijkt onderonderzocht en kan bieden vele toekomstige mogelijkheden. Zelfs nog een stap verder, de robot elementen kunnen worden gezien als objecten van het onderzoek zelf, waardoor de studie van de complexe dynamiek van de bio-hybride systemen gevormd door robots en planten nauw interactie. De robots leggen selectief prikkels op de planten, de planten reageren volgens hun adaptief gedrag en veranderen hun groeipatroon, die vervolgens wordt gedetecteerd door de robots via hun sensoren. Onze aanpak sluit de gedrags feedback lus tussen de planten en de robots en creëert een homeostatische Control loop.
In onze experimenten om de functie van het robot systeem te testen, gebruiken we uitsluitend de klim gemeenschappelijke Boon, Phaseolus Vulgaris. In deze opstelling, gebruiken wij het beklimmen van installaties, met mechanische steunen in een gerasterde steiger van totale hoogte 180 cm, dusdanig dat de installaties door thigmotropism worden beïnvloed en een beperkte reeks van de groei richtingen hebben om te kiezen van. Gezien het dat we willen de hele plantvorm over een periode van weken, gebruiken we blauwe lichtprikkels om de plant fototropisme te beïnvloeden macroscopische, over verschillende groei periodes met inbegrip van jonge scheuten en later stam verstijving. Wij voeren de experimenten in volledig gecontroleerde omgevingslicht omstandigheden waar andere dan de blauwe lichtprikkels bieden wij uitsluitend rood licht, met een piek emissie bij golflengte 650 nm. Wanneer zij een bifurcatie in het mechanische steun rooster bereiken, maken zij een binaire beslissing of om links of juist te groeien. De robots zijn geplaatst op deze mechanische bifurcaties, gescheiden door afstanden van 40 cm. Ze zelfstandig activeren en deactiveren hun blauwe licht emittance, met piek emissie bij golflengte 465 nm, volgens een vooraf gedefinieerde kaart van de gewenste groeipatroon (in dit geval, een zigzag patroon). Op deze manier worden de planten geleid van bifurcatie naar bifurcatie in een gedefinieerde volgorde. Slechts een robot wordt geactiveerd op een gegeven moment-gedurende welke het uitzendt blauw licht, terwijl autonoom toezicht op de groei van de plant op de mechanische steun eronder. Zodra het detecteert een groeiende tip met behulp van de infrarood proximity sensoren, stopt het uitzenden van blauw licht en communiceert met de naburige robots via de radio. De robot die zichzelf bepaalt als de volgende doelgroep in de sequentie vervolgens activeert, het aantrekken van plantengroei in de richting van een nieuwe mechanische bifurcatie.
Aangezien onze benadering zowel gemanipuleerde als natuurlijke mechanismen omvat, omvatten onze experimenten verscheidene methodes die gelijktijdig en onderling afhankelijk werken. Het protocol hier wordt eerst georganiseerd volgens het type van methode, elk van die in een Verenigd experiment opstelling moet worden geïntegreerd. Deze types zijn selectie van plantensoorten; robot ontwerp inclusief hardware en mechanica; robot software voor communicatie en controle; en het toezicht op en het onderhoud van de plantengezondheid. Het protocol gaat vervolgens verder met het experiment ontwerp, gevolgd door het verzamelen en opnemen van gegevens. Voor volledige details van tot dusver verkregen resultaten, zie Wellekens et al.14. Representatieve resultaten hebben betrekking op drie soorten experimenten — controle experimenten waarbij alle robots geen prikkels bieden (dat wil zeggen, zijn sluimerend); single-decision experimenten waarbij de plant maakt een binaire keuze tussen een stimuli-het verstrekken van robot en een die sluimerend is; en meervoudige-besluit experimenten waarbij de plant een opeenvolging van binaire keuzes navigeert om een vooraf gedefinieerd patroon te kweken.
De gepresenteerde methodologie toont de eerste stappen in de richting van het automatiseren van de stimuli-gedreven besturing van plantengroei, om specifieke patronen te genereren. Dit vereist continu onderhoud van de gezondheid van planten, terwijl het combineren in een enkel experiment Setup de verschillende rijken van biochemische groei reacties en engineered mechatronische functies-sensing, communicatie, en gecontroleerde generatie van stimuli. Aangezien onze nadruk hier op het beklimmen van installaties is, is de mechanische steun ook integraal. Een beperking van de huidige Setup is de schaal, maar we geloven dat onze methodologie gemakkelijk schalen. De mechanische steiger kan worden uitgebreid voor grotere opstellingen en dus langere perioden van groei, die ook mogelijk uitgebreide configuraties en patronen. Hier is de opstelling beperkt tot twee afmetingen en binaire links-juiste besluiten, aangezien de groei tot een net van mechanische steunen bij 45 ° neiging beperkt is, en de posities van de installatie besluit zijn beperkt tot de bifurcaties van dat net. Mechanische uitbreidingen kunnen bestaan uit 3D-steigers en verschillende materialen, zodat complexe vormen9,19. De methodologie kan worden beschouwd als een systeem om automatisch te groeien patronen gedefinieerd door een gebruiker. Door de uitbreiding van de mogelijke complexiteit van mechanische configuraties, gebruikers moeten worden geconfronteerd met enkele beperkingen op hun gewenste patronen. Voor een dergelijke toepassing, een User software tool moet bevestigen dat het patroon is producible, en de biobuis moet dan zelf organiseren van de productie van het patroon door het genereren van passende prikkels om de planten te sturen. De software moet ook worden uitgebreid met herstelplannen en beleid te bepalen hoe verder te gaan met de groei als de oorspronkelijke geplande patroon gedeeltelijk is mislukt-bijvoorbeeld als de eerste geactiveerde robot nooit heeft ontdekt een plant, maar de slapende degenen hebben gezien dat de positie van de groeiende tips zijn buiten de geactiveerde robot.
In de gepresenteerde methodologie, een voorbeeld plantensoorten die voldoen aan het protocol selectiecriteria is het klimmen gemeenschappelijke Boon, P. Vulgaris. Dit is de soort gebruikt in de representatieve resultaten. Als P. Vulgaris heeft een sterke positieve fototropisme UV-A en blauw licht, de phototropins (licht-receptor eiwitten) in de plant zal absorberen fotonen die overeenkomt met golflengten 340-500 nm. Wanneer de receptoren worden geactiveerd, eerste zwelling zal optreden in de stengel door de preferentiële verplaatsing van water naar de stengel weefsels tegen de geactiveerde receptoren, waardoor een omkeerbare directionele reactie. Dan, binnen de stengel, auxine (plant patroon hormoon) is gericht op dezelfde weefsel locatie, het bestendigen van de directionele respons en de vaststelling van stam weefsels als ze verstijven. Dit gedrag kan worden gebruikt voor het vormgeven van de planten in deze gecontroleerde indoor omstandigheden, als de planten zijn alleen blootgesteld aan geïsoleerde blauw licht en geïsoleerde rood licht, met een incident ver-rood licht van IR-proximity sensoren op laag genoeg niveau dat het niet interfereren met gedrag zoals de schaduw-vermijdende reactie20,21. De fototropisme reactie in de installatie antwoordt in de opstelling aan licht van blauwe dioden met piek emissie ƛmax = 465 nm, en fotosynthese22,23 in de installatie wordt gesteund door rode dioden met piek emissie ƛmax = 650 nm. P. Vulgaris het groeien tot verscheidene meters in hoogte is geschikt in de algemene opstelling, aangezien ruwweg 3 L van commerciële het tuinieren grond nodig per pot de opstellings schaal past.
Hoewel de huidige setup richt zich op licht als een aantrekkingskracht stimulus, extra prikkels kunnen relevant zijn voor andere experiment soorten. Als het gewenste patroon een scheiding tussen verschillende groepen installaties vereist (b.v., vergt het gewenste patroon twee groepen installaties om tegenovergestelde kanten te kiezen), dan kan het niet haalbaar zijn gebruikend slechts één type van stimulus. Voor dergelijke complexe groeipatronen onafhankelijk van steiger vorm, kunnen de verschillende groepen van planten mogelijk worden geteeld in verschillende perioden zodanig dat hun respectieve attractie prikkels niet interfereren, die ook zou toelaten de integratie van vertakkingen Gebeurtenissen. Nochtans, kan dit niet altijd een geschikte oplossing zijn, en de standaard aantrekkelijke lichte stimulus zou dan kunnen worden versterkt door invloeden zoals het in de schaduw stellen, of door andere stimuli zoals ver-rood licht of trilling motoren9,14te weren.
De gepresenteerde methode en het experiment ontwerp zijn slechts een eerste stap in de richting van een uitgekiende methodologie om automatisch de richtings groei van planten te beïnvloeden. Het experiment Setup is Basic door het bepalen van slechts een opeenvolging van binaire beslissingen in de planten en richten we ons op een, gemakkelijk te beheren stimulus. Aanvullende studies nodig zijn om de methode van de statistische significantie te bewijzen, om meer prikkels toe te voegen, en om andere processen te controleren, zoals vertakking. Met voldoende ontwikkeling om de lange termijn betrouwbaarheid van de robots te garanderen, kan de gepresenteerde methodologie zorgen voor automatisering van planten experimenten over lange perioden, waardoor de overhead in verband met de studie van de ontwikkeling van planten stadia voorbij dat van scheuten. Vergelijkbare methoden kunnen voor toekomstig onderzoek naar de onderonderzochte dynamiek tussen biologische organismen en autonome robots, wanneer de twee fungeren als strak gekoppeld zelforganiserende bio-hybride systemen.
The authors have nothing to disclose.
Deze studie werd ondersteund door flora robotica project dat de financiering ontvangen van de Europese Unie Horizon 2020 onderzoek en innovatie-programma in het kader van de FET subsidieovereenkomst, No. 640959. De auteurs danken Getsopulos en Ewald Neufeld voor hun bijdrage aan de assemblage van hardware, en Tanja Katharina Kaiser voor haar bijdrage aan het monitoren van planten experimenten.
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 |