Distributed robot noder gir sekvenser av blått lys stimuli for å styre veksten baner av klatring planter. Ved å aktivere naturlig phototropism, robotene veilede plantene gjennom binære venstre-høyre beslutninger, vokser dem i forhåndsdefinerte mønstre som i motsetning ikke er mulig når robotene er sovende.
Robot systemer er aktivt undersøkt for manipulering av naturlige planter, vanligvis begrenset til landbruket automatisering aktiviteter som innhøsting, vanning og mekanisk ugress kontroll. Utvide denne forskningen, introduserer vi her en ny metodikk for å manipulere retnings vekst av planter via deres naturlige mekanismer for signalering og hormon distribusjon. En effektiv metodikk for Robotic stimuli bestemmelsen kan åpne opp muligheter for ny eksperimentering med senere utviklingsmessige faser i planter, eller for nye bioteknologi applikasjoner som forme planter for grønne vegger. Interaksjon med planter presenterer flere robot utfordringer, inkludert kort rekkevidde sensing av små og variable plante organer, og den kontrollerte aktiveringen av plante responser som er påvirket av miljøet i tillegg til den med følgende stimuli. For å styre plantevekst, utvikler vi en gruppe Immobile roboter med sensorer for å oppdage nærhet til voksende tips, og med dioder for å gi lys stimuli som betjen phototropism. Robotene er testet med klatring felles bønne, Phaseolus vulgaris, i eksperimenter har varigheter opptil fem uker i et kontrollert miljø. Med roboter sekvensielt emitting blått lys-peak utslipp ved bølgelengde 465 NM-plantevekst er vellykket styrt gjennom suksessive binære beslutninger langs mekaniske støtter å nå målet posisjoner. Vekst mønstre er testet i et oppsett opp til 180 cm i høyde, med plante stengler vokst opp til omtrent 250 cm i kumulativ lengde over en periode på cirka sju uker. Robotene koordinerer seg selv og opererer helt selvstendig. De oppdager nærmer anlegget tips ved infrarød nærhet sensorer og kommunisere via radio for å veksle mellom blått lys stimuli og sovende status, etter behov. Samlet, de oppnådde resultatene støtter effektiviteten av kombinere robot og plante eksperiment metoder, for studiet av potensielt komplekse interaksjoner mellom naturlige og konstruerte autonome systemer.
Sammenfallende med den økende utbredelsen av automatisering i produksjon og produksjon, er roboter blir utnyttet til å så, behandle og høste planter1,2,3,4,5. Vi bruker robotteknologi for å automatisere plante eksperimenter på en ikke-invasiv måte, med det formål å styre vekst via retningsbestemt respons på stimuli. Tradisjonell hagearbeid praksis har tatt den manuelle utformingen av trær og busker ved mekanisk tilbakeholdenhet og skjæring. Vi presenterer en metodikk som for eksempel kan brukes på denne forme oppgaven, ved å styre vekst mønstre med stimuli. Våre presentert metodikk er også et skritt mot automatiserte plante eksperimenter, her med et spesielt fokus på å gi lys stimuli. Når teknologien har blitt robust og pålitelig, har denne tilnærmingen potensial til å redusere kostnader i plante eksperimenter og for å muliggjøre nye automatiserte eksperimenter som ellers ville bli umulig på grunn av overhead i tid og manuell arbeidskraft. Den Robotic elementer er fritt programmerbare og handle selvstendig som de er utstyrt med sensorer, aktuatorer for stimuli bestemmelsen, og mikroprosessorer. Mens vi fokuserer her på nærhet sensing (dvs. måle avstander på nært hold) og lys stimuli, mange andre alternativer er gjennomførbart. For eksempel kan sensorer brukes til å analysere plantefarger, overvåke biokjemiske aktivitet6, eller for phytosensing7 tilnærminger til å overvåke for eksempel miljømessige forhold gjennom anlegget elektrofysiologi8. På samme måte kan alternativer for aktuator gi andre typer stimuli9, gjennom vibrasjonsmotorer, sprøyteenheter, varmeovner, vifter, skyggeleggings enheter eller manipulators for styrt fysisk kontakt. Ytterligere aktivering strategier kan implementeres for å gi langsom mobilitet til robotene (dvs. langsomme boter ‘10), slik at de kunne gradvis endre posisjon og retning som de gir stimuli. Videre, som robotene er utstyrt med single-Board datamaskiner, kan de kjøre mer sofistikerte prosesser som visioning for plante bestemmelse av fenotype11 eller kunstige nevrale nettverk kontrollere for stimuli aktivering12. Som plante forskning fokus er ofte på tidlig vekst (dvs. i skudd)13, hele domenet for å bruke autonome robot systemer for å påvirke planter over lengre perioder synes utforskede og kan tilby mange fremtidige muligheter. Går enda ett skritt videre, kan Robotic elementer ses som objekter av forskningen selv, slik at studiet av den komplekse dynamikken i bio-hybrid systemer dannet av roboter og planter tett samspill. Robotene selektivt pålegge stimuli på plantene, plantene reagerer i henhold til deres adaptive atferd og endre deres vekstmønster, som senere oppdages av robotene via sine sensorer. Vår tilnærming stenger atferdsmessige feedback loop mellom plantene og robotene og skaper en homøostatisk kontroll loop.
I våre eksperimenter for å teste funksjonen til roboten systemet, vi utelukkende bruke klatring felles bønne, Phaseolus vulgaris. I dette oppsettet bruker vi klatring planter, med mekaniske støtte i et gridded stillas av total høyde 180 cm, slik at plantene er påvirket av thigmotropism og har et begrenset sett med vekst retninger å velge mellom. Gitt at vi ønsker å forme hele planten over en periode på uker, bruker vi blått lys stimuli å påvirke anleggets phototropism makroskopisk, over ulike vekst perioder inkludert unge skudd og senere Stem stivne. Vi utfører eksperimenter i fullt kontrollerte omgivelseslys forhold der annet enn det blå lyset stimuli vi gir utelukkende rødt lys, med topp utslipp ved bølgelengde 650 NM. Når de når en bifurkasjonen i mekanisk støtte rutenettet, gjør de en binær beslutning om å vokse til venstre eller høyre. Robotene er plassert på disse mekaniske bifurcations, adskilt av avstander på 40 cm. De aktiverer og deaktiverer sitt blå lys utstråling, med topp utslipp ved bølgelengde 465 NM, ifølge et forhåndsdefinert kart over ønsket vekstmønster (i dette tilfellet et sikk-sakk mønster). På denne måten blir plantene guidet fra bifurkasjonen til bifurkasjonen i en definert rekkefølge. Bare én robot er aktivert på et gitt tidspunkt, der den avgir blått lys mens du overvåker plantevekst på mekanisk støtte under den. Når den oppdager en voksende spissen ved hjelp av infrarød nærhet sensorer, stopper det emitting blått lys og kommuniserer til nabolandet roboter via radio. Roboten som bestemmer seg for å være det neste målet i sekvensen deretter senere aktiveres, tiltrekker plantevekst mot en ny mekanisk bifurkasjonen.
Som vår tilnærming inkorporerer både konstruert og naturlige mekanismer, våre eksperimenter omfatter flere metoder som opererer samtidig og uavhengig. Protokollen her er først organisert i henhold til type metode, som hver må integreres i et enhetlig eksperiment oppsett. Disse typene er plantearter utvalg; robot design inkludert maskinvare og mekanikk; robot programvare for kommunikasjon og kontroll; og overvåking og vedlikehold av plante helse. Protokollen fortsetter deretter med eksperiment utformingen, etterfulgt av datainnsamling og innspilling. For fullstendig informasjon om resultatene som er oppnådd så langt, se Wahby et al.14. Representative resultater dekker tre typer eksperimenter – kontroller eksperimenter der alle robotene ikke gir stimuli (dvs. er sovende); enkelt-beslutning eksperimenter der anlegget gjør en binær valg mellom en stimuli-gi robot og en som er sovende; og fler beslutnings eksperimenter der planten navigerer en rekke binære valg for å skape et forhåndsdefinert mønster.
Den presenterte metodikken viser innledende skritt mot å automatisere stimuli-drevet styring av plantevekst, for å generere konkrete mønstre. Dette krever kontinuerlig vedlikehold av plante helse mens kombinere i et enkelt eksperiment oppsett de forskjellige riker biokjemiske vekst responser og konstruert mekatroniske funksjoner-sensing, kommunikasjon, og kontrollert generasjon av stimuli. Som vårt fokus her er på klatring planter, mekanisk støtte er også integrert. En begrensning av gjeldende oppsett er dens skala, men vi tror vår metodikk lett skalaer. Det mekaniske stillaset kan utvides for større oppsett og derfor lengre perioder med vekst, som også tillater utvidede konfigurasjoner og mønstre. Her oppsettet er begrenset til to dimensjoner og binære venstre-høyre beslutninger, som veksten er begrenset til et rutenett av mekaniske støtter på 45 ° helling, og anlegget vedtak posisjoner er begrenset til at rutenettet er bifurcations. Mekaniske utvidelser kan inkludere 3D-stillaser og ulike materialer, for å muliggjøre komplekse former9,19. Metodikken kan betraktes som et system for å automatisk vokse mønstre definert av en bruker. Ved å utvide den mulige kompleksiteten av mekaniske konfigurasjoner, bør brukerne møte noen restriksjoner på deres ønskede mønstre. For slik en søknad, en brukerprogramvare verktøyet burde anerkjenne det mønsteret er produserbare, og det mechatronics burde så selv-organisere produksjonen av mønsteret av utvikler passende stimulere å styre plantene. Programvaren bør også utvides til å omfatte utvinning planer og politikk å bestemme hvordan du kan fortsette med veksten hvis den opprinnelige planlagte mønsteret har delvis feilet-for eksempel hvis den første aktiverte roboten har aldri oppdaget en plante, men den sovende de har Sett at plasseringen av den voksende tipsene er utenfor den aktiverte roboten.
I den presenterte metodikk, et eksempel plantearter møte protokollen utvalgskriteriene er klatring felles bønne, P. vulgaris. Dette er arten som brukes i representative resultater. Som P. vulgaris har sterke positive PHOTOTROPISM til UV-A og blått lys, vil phototropins (lys-reseptor proteiner) i anlegget absorbere fotoner tilsvarende bølgelengder 340-500 NM. Når reseptorene utløses, første hevelse vil skje i stammen ved fortrinnsrett flytting av vann til stammen vev motsatte utløst reseptorer, forårsaker en reversibel retningsbestemt respons. Deretter, innenfor stammen, auxin (plante mønster hormon) er rettet til samme vev sted, perpetuating retningsbestemt respons og fikse stammen vev som de stive. Denne oppførselen kan brukes for å forme plantene i disse kontrollerte innendørs forhold, som plantene er eksponert bare for isolert blått lys og isolert rødt lys, med hendelsen langt rødt lys fra IR-nærhet sensorer på lavt nok nivå at det ikke forstyrrer med atferd som skygge-unngåelse respons20,21. Den phototropism reaksjonen i anlegget reagerer i oppsettet til lys fra blå dioder med peak utslipp ƛmax = 465 NM, og fotosyntese22,23 i anlegget er støttet av røde dioder med peak utslipp ƛmax = 650 NM. P. vulgaris vokser opp til flere meter i høyde er egnet i det totale oppsettet, som omtrent 3 L av kommersiell hagearbeid jord trengs per pott passer oppsettet skala.
Selv om dagens oppsett fokuserer på lys som en attraksjon stimulans, kan ytterligere stimuli være relevant for andre eksperiment typer. Hvis ønsket mønster krever en separasjon mellom ulike grupper av planter (f. eks ønsket mønster trenger to grupper av planter til å velge motsatte sider), så det kan ikke være mulig å bruke bare én type stimulans. For slike komplekse vekst mønstre uavhengig av stillas form, kan de ulike grupper av planter potensielt dyrkes i ulike tidsperioder slik at deres respektive attraksjon stimuli ikke forstyrrer, som også vil tillate integrering av forgrening Hendelser. Imidlertid kan dette ikke alltid være en passende løsning, og standard attraktiv lys stimulans kan da bli forsterket av repelling påvirkninger som skyggelegging, eller av andre stimuli som langt-rødt lys eller vibrasjon motorer9,14.
Den presenterte metoden og eksperimentet design er bare et første skritt mot en sofistikert metodikk for å automatisk påvirke retningsbestemt vekst av planter. Eksperimentet oppsettet er grunnleggende ved å bestemme bare en sekvens av binære beslutninger i plantene og vi fokuserer på en, lett å administrere stimulans. Ytterligere studier vil være nødvendig for å bevise metoden statistiske betydning, for å legge til flere stimuli, og å kontrollere andre prosesser som forgrening. Med tilstrekkelig utvikling for å garantere den langsiktige påliteligheten av robotene, den presenterte metodikk kan tillate automatisering av plante eksperimenter over lang tid perioder, redusere overhead forbundet med studiet av plante utvikling stadier utover det av skudd. Lignende metoder kan tillate fremtidige undersøkelser i utforskede dynamikk mellom biologiske organismer og autonome roboter, når de to fungerer som tett koblet selv-organisering bio-hybrid systemer.
The authors have nothing to disclose.
Denne studien ble støttet av flora robotica prosjekt som fikk støtte fra EUs Horizon 2020 forsknings-og innovasjonsprogram under FET tilskudds avtale, nr. 640959. Forfatterne takker Anastasios Getsopulos og Ewald Neufeld for deres bidrag til maskinvare montering, og Tanja Katharina Kaiser for hennes bidrag til å overvåke plante eksperimenter.
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 |