توفر عقد الروبوت الموزعة تسلسلات من محفزات الضوء الأزرق لتوجيه مسارات نمو مصانع التسلق. من خلال تفعيل الفوتوتروبيسم الطبيعي، الروبوتات توجيه النباتات من خلال القرارات الثنائية اليسار واليمين، وزراعتها في أنماط محددة مسبقا أنه على النقيض من ذلك غير ممكن عندما تكون الروبوتات نائمة.
يتم البحث بنشاط في أنظمة الروبوت للتلاعب بالنباتات الطبيعية، وعادة ما تقتصر على أنشطة الأتمتة الزراعية مثل الحصاد والري والتحكم الميكانيكي في الأعشاب الأعشاب الآلية. توسيع هذا البحث, ونحن نقدم هنا منهجية جديدة للتلاعب النمو الاتجاهي للنباتات عن طريق آلياتها الطبيعية للإشارة وتوزيع الهرمونات. ويمكن أن تتيح المنهجية الفعالة لتوفير المحفزات الروبوتية إمكانيات لإجراء تجارب جديدة على مراحل إنمائية لاحقة في النباتات، أو لتطبيقات التكنولوجيا الأحيائية الجديدة مثل تشكيل النباتات للجدران الخضراء. ويمثل التفاعل مع النباتات العديد من التحديات الروبوتية، بما في ذلك الاستشعار القصير المدى للأعضاء النباتية الصغيرة والمتنوعة، والطاقة التي تسيطر عليها استجابات النباتات التي تتأثر بالبيئة بالإضافة إلى المحفزات المقدمة. من أجل توجيه نمو النبات، ونحن تطوير مجموعة من الروبوتات غير متحركة مع أجهزة الاستشعار للكشف عن قرب نصائح النمو، ومع الصمامات الثنائية لتوفير المحفزات الخفيفة التي تعمل phototropism. يتم اختبار الروبوتات مع تسلق الفول المشترك، Phaseolus المبتذلةق، في التجارب التي تستغرق فترات تصل إلى خمسة أسابيع في بيئة تسيطر عليها. مع الروبوتات التي تنبعث بالتتابع الانبعاثات الزرقاء الخفيفة الذروة في الطول الموجي 465 نانومتر نمو النبات هو توجيه بنجاح من خلال القرارات الثنائية المتعاقبة على طول الدعائم الميكانيكية للوصول إلى المواقع المستهدفة. يتم اختبار أنماط النمو في الإعداد تصل إلى 180 سم في الارتفاع، مع ينبع النبات نمت ما يصل إلى ما يقرب من 250 سم في الطول التراكمي على مدى فترة سبعة أسابيع تقريبا. الروبوتات تنسيق أنفسهم وتعمل بشكل مستقل تماما. أنها تكشف اقتراب نصائح النبات عن طريق أجهزة استشعار القرب الأشعة تحت الحمراء والتواصل عبر الراديو للتبديل بين المحفزات الضوء الأزرق وحالة نائمة، حسب الاقتضاء. وعموما، فإن النتائج التي تم الحصول عليها تدعم فعالية الجمع بين منهجيات تجربة الروبوت والنباتات، لدراسة التفاعلات المعقدة المحتملة بين النظم الطبيعية والنظم المستقلة الهندسية.
متوافقمع انتشار متزايد للأتمتة في التصنيع والإنتاج، يتم استخدام الروبوتات لزرع، علاج، وحصاد النباتات1،2،3،4،5. نحن نستخدم تكنولوجيا الروبوت لأتمتة التجارب النباتية بطريقة غير الغازية، بهدف توجيه النمو من خلال الاستجابات الاتجاهية للمحفزات. وقد شملت ممارسات البستنة التقليدية تشكيل اليدوي للأشجار والشجيرات عن طريق ضبط النفس والقطع الميكانيكية. نحن نقدم منهجية يمكن تطبيقها على سبيل المثال على هذه المهمة تشكيل، من خلال توجيه أنماط النمو مع المحفزات. منهجيتنا المقدمة هي أيضا خطوة نحو التجارب الآلية للمصنع، وهنا مع التركيز بشكل خاص على توفير المحفزات الخفيفة. وبمجرد أن تصبح التكنولوجيا قوية وموثوقبها، فإن هذا النهج لديه القدرة على خفض التكاليف في تجارب النباتات والسماح بإجراء تجارب آلية جديدة كان من غير الممكن لولا ذلك أن تكون غير مجدية بسبب النفقات العامة في الوقت والعمل اليدوي. العناصر الروبوتية قابلة للبرمجة بحرية وتعمل بشكل مستقل كما أنها مجهزة أجهزة الاستشعار، والمركبات لتوفير المحفزات، والمعالجات الدقيقة. وبينما نركز هنا على الاستشعار عن قرب (أي قياس المسافات من مسافة قريبة) والمحفزات الخفيفة، فإن هناك خيارات أخرى كثيرة ممكنة. على سبيل المثال، يمكن استخدام أجهزة الاستشعار لتحليللون النبات، لرصد النشاط الكيميائي الحيوي 6، أو للفيوينوين7 النهج لرصد الظروف البيئية على سبيل المثال من خلال علم وظائف الأعضاء الكهربائية النباتية8. وبالمثل، قد توفر خيارات المحركات أنواعأخرى من المحفزات 9، من خلال محركات الاهتزاز، أجهزة الرش، سخانات، مراوح، أجهزة المظللة، أو المتلاعبين للاتصال الجسدي الموجه. ويمكن تنفيذ استراتيجيات إضافية للتشغيل لتوفير حركة بطيئة للروبوتات (أي “البوتات البطيئة”10)،بحيث يمكن أن تغير تدريجيا الموقف والاتجاه الذي توفر منه المحفزات. وعلاوة على ذلك، كما تم تجهيز الروبوتات مع أجهزة الكمبيوتر مجلس واحد، فإنها يمكن تشغيل عمليات أكثر تطورا مثل رؤية للمصنع phenotyping11 أو وحدات تحكم الشبكة العصبية الاصطناعية للتحفيز12. كما تركز البحوث علوم النبات في كثير من الأحيان على النمو المبكر (أي، في يطلق النار)13، المجال كله من استخدام أنظمة الروبوت المستقلة للتأثير على النباتات على مدى فترات أطول يبدو ناقص الاستكشاف، وقد توفر العديد من الفرص في المستقبل. وبالذهاب إلى أبعد من ذلك خطوة واحدة، يمكن النظر إلى العناصر الروبوتية على أنها أشياء من البحث نفسها، مما يسمح بدراسة الديناميات المعقدة للنظم الحيوية الهجينة التي تشكلها الروبوتات والنباتات التي تتفاعل بشكل وثيق. الروبوتات تفرض بشكل انتقائي المحفزات على النباتات، والنباتات تتفاعل وفقا لسلوكهم التكيفي وتغيير نمط نموها، والتي يتم الكشف عنها في وقت لاحق من قبل الروبوتات عن طريق أجهزة الاستشعار الخاصة بهم. نهجنا يغلق حلقة ردود الفعل السلوكية بين النباتات والروبوتات ويخلق حلقة التحكم homeostatic.
في تجاربنا لاختبار وظيفة نظام الروبوت، ونحن حصرا استخدام تسلق الفول المشترك، Phaseolus الشائعق. في هذا الإعداد، ونحن نستخدم تسلق النباتات، مع الدعائم الميكانيكية في سقالة شبكية من ارتفاع عام 180 سم، بحيث تتأثر النباتات من قبل thigmotropism ولديها مجموعة محدودة من اتجاهات النمو للاختيار من بينها. وبالنظر إلى أننا نريد لتشكيل النبات كله على مدى فترة من الأسابيع، ونحن نستخدم المحفزات الضوء الأزرق للتأثير على المنظار الضوئي للنبات، على مدى فترات النمو المختلفة بما في ذلك يطلق النار الشباب وتصلب الجذعية في وقت لاحق. نجري التجارب في ظروف الضوء المحيط التي تسيطر عليها بشكل كامل حيث بخلاف المحفزات الضوء الأزرق نحن نقدم الضوء الأحمر حصرا، مع ذروة الانبعاثات في الطول الموجي 650 نانومتر. عندما تصل إلى التشبيك في شبكة الدعم الميكانيكية، فإنها تتخذ قرارا ثنائيا ما إذا كان لتنمو اليسار أو اليمين. يتم وضع الروبوتات في هذه الفواصل الميكانيكية، مفصولة مسافات 40 سم. أنها تنشيط بشكل مستقل وتعطيل انبعاث الضوء الأزرق، مع ذروة الانبعاثات في الطول الموجي 465 نانومتر، وفقا لخريطة محددة مسبقا من نمط النمو المطلوب (في هذه الحالة، نمط متعرج). وبهذه الطريقة، يتم توجيه النباتات من البيفوركاتيون إلى التشبيك في تسلسل محدد. يتم تنشيط روبوت واحد فقط في وقت معين ، خلالها تنبعث منه الضوء الأزرق بينما رصد نمو النبات بشكل مستقل على الدعم الميكانيكي تحته. بمجرد أن يكتشف طرف متزايد باستخدام أجهزة استشعار القرب الأشعة تحت الحمراء، فإنه يتوقف عن انبعاث الضوء الأزرق ويتصل الروبوتات المجاورة لها عن طريق الراديو. الروبوت الذي يحدد نفسه ليكون الهدف التالي في تسلسل ثم ينشط في وقت لاحق، وجذب نمو النبات نحو التشبيك الميكانيكية الجديدة.
كما يتضمن نهجنا على حد سواء الآليات الهندسية والطبيعية، وتشمل تجاربنا عدة طرق تعمل في وقت واحد ومترابطة. يتم تنظيم البروتوكول هنا أولا ً وفقا لنوع الأسلوب، كل منها يجب أن يكون مدمجا في إعداد تجربة موحدة. وهذه الأنواع هي اختيار الأنواع النباتية؛ تصميم الروبوت بما في ذلك الأجهزة والميكانيكا. الروبوت البرمجيات للاتصالات والسيطرة؛ ومراقبة وصيانة صحة النبات. ثم يمضي البروتوكول في تصميم التجربة، يليه جمع البيانات وتسجيلها. للاطلاع على التفاصيل الكاملة للنتائج التي تم الحصول عليها حتى الآن، انظر Wahby et al.14. وتشمل النتائج التمثيلية ثلاثة أنواع من التجارب – تجارب التحكم حيث لا توفر جميع الروبوتات المحفزات (أي أنها خاملة)؛ تجارب قرار واحد حيث يجعل المصنع خيار ثنائي بين واحد من المحفزات توفير الروبوت واحد هو نائمة. وتجارب متعددة القرارات حيث يتنقل المصنع في سلسلة من الخيارات الثنائية لينمو نمط محدد مسبقاً.
وتبين المنهجية المقدمة الخطوات الأولية نحو أتمتة توجيه نمو النبات القائم على المحفزات، لتوليد أنماط محددة. وهذا يتطلب الحفاظ على صحة النبات باستمرار مع الجمع في إعداد تجربة واحدة عوالم متميزة من استجابات النمو البيوكيميائية وهندسة وظائف الميكاترونيك الاستشعار، والاتصالات، وتوليد للرقابة من المحفزات. كما تركيزنا هنا على تسلق النباتات، والدعم الميكانيكي هو أيضا جزءا لا يتجزأ. إن الحد من الإعداد الحالي هو حجمه، ولكننا نعتقد أن منهجيتنا تتدرج بسهولة. يمكن تمديد السقالة الميكانيكية لإعدادات أكبر وبالتالي فترات أطول من النمو، والذي يسمح أيضا تكوينات وأنماط موسعة. هنا يقتصر الإعداد على بعدين وقرارات ثنائية من اليمين الأيسر، حيث يقتصر النمو على شبكة من الدعائم الميكانيكية عند 45 درجة ميل، وتقتصر مواقف قرار المصنع على عمليات التشبيك في تلك الشبكة. قد تشمل ملحقات الميكانيكية سقالة 3D والمواد المختلفة، للسماح للأشكال المعقدة9،19. يمكن اعتبار المنهجية نظامًا لزراعة الأنماط التي يحددها المستخدم تلقائيًا. من خلال توسيع التعقيد المحتمل للتكوينات الميكانيكية، يجب أن يواجه المستخدمون قيودا قليلة على أنماطهم المرغوبة. وبالنسبة لهذا التطبيق، ينبغي أن تؤكد أداة برمجيات المستعمل ينبغي أن تكون هذه الأداة قابلة للإنتاج، وينبغي للميكاترونيكس أن تنظم ذاتياً إنتاج النمط عن طريق توليد محفزات مناسبة لتوجيه المصانع. وينبغي أيضا توسيع البرنامج لتشمل خطط الانتعاش والسياسات التي تحدد كيفية مواصلة النمو إذا كان النمط الأصلي المخطط قد فشلت جزئيا على سبيل المثال إذا كان الروبوت المنشط الأول لم يكتشف مصنعا ولكن تلك الخاملة لديها ينظر إلى أن موقف من النصائح المتنامية هي وراء الروبوت المنشط.
في ال يقدّم منهجيّة, مثال نباتيّة نوع يلتقي البروتوكول إنتقاء معايير ال يصعد فول عاديّة, [ب.]. [فولووو][س.]. هذا هو النوع المستخدم في النتائج التمثيلية. كما P. الشائعق لديه الفوتوتروبيسم إيجابية قوية للأشعة فوق البنفسجية-A والضوء الأزرق, سوف فوتوتروبينس (بروتينات مستقبلات الضوء) في النبات امتصاص الفوتونات المقابلة للأطوال الموجية 340-500 نانومتر. عندما يتم تشغيل المستقبلات، سوف يحدث تورم الأول في الجذعية عن طريق نقل تفضيلية من المياه إلى الأنسجة الجذعية معارضة مستقبلات أثار، مما تسبب في استجابة الاتجاه عكسها. ثم، داخل الجذعية، يتم توجيه أوكسين (هرمون النقوش النباتية) إلى نفس موقع الأنسجة، وإدامة الاستجابة الاتجاهية وتحديد الأنسجة الجذعية لأنها تصلب. يمكن استخدام هذا السلوك لتشكيل النباتات في هذه الظروف الداخلية الخاضعة للرقابة، حيث تتعرض النباتات فقط للضوء الأزرق المعزول والضوء الأحمر المعزول، مع وقوع ضوء أحمر بعيد من أجهزة استشعار القرب من الأشعة تحت الحمراء عند مستويات منخفضة بما فيه الكفاية بحيث لا يتدخل مع السلوكيات مثل الظل تجنب الاستجابة20,21. رد فعل الفوتوتروبيسم في المصنع يستجيب في الإعداد للضوء من الثنائيات الزرقاء مع ذروة الانبعاثات + max = 465 نانومتر، والتمثيل الضوئي22،23 في المصنع معتمد من قبل الثنائيات الحمراء مع ذروة الانبعاثات + max = 650 نانومتر. P. الشائعق تنمو حتى عدة أمتار في الارتفاع هو مناسبة في الإعداد العام, كما تقريبا 3 L من التربة البستنة التجارية اللازمة في وعاء يناسب مقياس الإعداد.
على الرغم من أن الإعداد الحالي يركز على الضوء كحافز جذب، قد تكون المحفزات الإضافية ذات صلة لأنواع التجارب الأخرى. إذا كان النمط المطلوب يتطلب فصل بين مجموعات مختلفة من النباتات (على سبيل المثال، النمط المطلوب يحتاج إلى مجموعتين من النباتات لاختيار الجانبين المتقابلين)، ثم قد لا يكون ممكنا باستخدام نوع واحد فقط من التحفيز. لمثل هذه الأنماط النمو المعقدة مستقلة عن شكل سقالة، يمكن أن تنمو مجموعات مختلفة من النباتات في فترات زمنية مختلفة بحيث المحفزات الجذب الخاصة بهم لا تتدخل، والتي من شأنها أن تسمح أيضا التكامل من المتفرعة الاحداث. ومع ذلك، قد لا يكون هذا دائما حلا مناسبا، ويمكن بعد ذلك تحفيز الضوء جذابة القياسية يمكن أن تزيد من خلال صد التأثيرات مثل المظللة، أو من قبل غيرها من المحفزات مثل الضوء الأحمر البعيد أو المحركات الاهتزاز9،14.
إن الطريقة المقدمة وتصميم التجربة ليسا سوى خطوة أولى أولية نحو منهجية متطورة للتأثير تلقائياً على نمو المصانع في الاتجاه. إعداد التجربة هو أساسي من خلال تحديد فقط سلسلة من القرارات الثنائية في النباتات ونحن نركز على واحد، من السهل إدارة التحفيز. وسيلزم إجراء دراسات إضافية لإثبات الأهمية الإحصائية للأسلوب، وإضافة المزيد من المحفزات، والسيطرة على عمليات أخرى مثل التفرع. مع التطوير الكافي لضمان موثوقية الروبوتات على المدى الطويل، يمكن أن تسمح المنهجية المقدمة بأتمتة تجارب المصانع على مدى فترات زمنية طويلة، مما يقلل من النفقات العامة المرتبطة بدراسة مراحل تطوير النبات ما وراء ذلك من يطلق النار. ويمكن أن تسمح أساليب مماثلة بإجراء تحقيقات في المستقبل في الديناميات التي لم يتم استكشافها بالقدر الكافي بين الكائنات البيولوجية والروبوتات المستقلة، عندما يعمل الاثنان كنظم ذاتية التنظيم ذاتية التنظيم مقرونة بإحكام.
The authors have nothing to disclose.
وقد دعمت هذه الدراسة من قبل مشروع فلورا روبوتا التي تلقت التمويل من برنامج الاتحاد الأوروبي أفق 2020 للبحث والابتكار بموجب اتفاقية منحة FET، رقم 640959. ويشكر المؤلفان أناستاسيوس غيتسوبولس وإيوالد نيوفيلد على مساهمتهما في تجميع الأجهزة، وتانيا كاثرينا كايزر على مساهمتها في رصد التجارب النباتية.
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 |