Distribuerede robot noder giver sekvenser af blå lys stimuli til at styre vækst forløbskurver af klatring planter. Ved at aktivere naturlige Fototropisme guider robotterne planterne gennem binære venstre-højre-beslutninger, hvor de vokser til foruddefinerede mønstre, som derimod ikke er mulige, når robotterne er inaktive.
Robot systemer er aktivt undersøgt for manipulation af naturlige planter, typisk begrænset til landbrugsmæssige automatiserings aktiviteter såsom høst, kunstvanding og mekanisk ukrudtsbekæmpelse. Udvidelse af denne forskning, introducerer vi her en ny metode til at manipulere retningsbestemt vækst af planter via deres naturlige mekanismer til signalering og hormon distribution. En effektiv metode til tilvejebringelse af robot stimuli kan åbne op for muligheder for nye eksperimenter med senere udviklingsfaser i planter eller for nye bioteknologiske anvendelser såsom forme planter til grønne vægge. Interaktion med planter præsenterer flere robot-udfordringer, herunder kort trækkende sensing af små og variable plante organer, og den kontrollerede aktivering af plante reaktioner, der påvirkes af miljøet i tillæg til de angivne stimuli. For at styre plantens vækst udvikler vi en gruppe af immobile robotter med sensorer til at detektere nærheden af voksende spidser, og med dioder til at give lys stimuli, der gør Fototropisme til virkelighed. Robotterne testes med klatre fælles bønne, Phaseolus vulgaris, i eksperimenter med varigheder op til fem uger i et kontrolleret miljø. Med robotter sekventielt udsender blå lys-peak emission ved bølgelængde 465 Nm-plantevækst er lykkedes styres gennem successive binære beslutninger langs mekaniske støtter at nå målet positioner. Vækstmønstre testes i en opsætning op til 180 cm i højden, med plante stængler dyrket op til groft 250 cm i kumulativ længde over en periode på ca. syv uger. Robotterne koordinerer sig selv og arbejder helt selvstændigt. De opdager, at der nærmer sig plante spidser ved infrarøde nærhedssensorer, og kommunikerer via radio for at skifte mellem blåt lys-stimuli og sovende status efter behov. Samlet set understøtter de opnåede resultater effektiviteten ved at kombinere robot-og plante eksperiment metoder til undersøgelse af potentielt komplekse interaktioner mellem naturlige og konstruerede autonome systemer.
Kongruent med den stigende prævalens af automatisering i produktion og produktion, er robotter bliver udnyttet til at so, behandle og høst planter1,2,3,4,5. Vi bruger robotteknologi til at automatisere plante eksperimenter på en ikke-invasiv måde med det formål at styre væksten via retningsbestemte reaktioner på stimuli. Traditionelle havearbejde praksis har inkluderet manuel udformning af træer og buske ved mekanisk tilbageholdenhed og opskæring. Vi præsenterer en metodologi, der for eksempel kan anvendes på denne forme opgave, ved at styre vækstmønstre med stimuli. Vores præsenteret metodologi er også et skridt i retning af automatiserede plante eksperimenter, her med et specifikt fokus på at give lys stimuli. Når teknologien er blevet robust og pålidelig, har denne tilgang potentiale til at reducere omkostningerne i plante eksperimenter og til at give mulighed for nye automatiserede eksperimenter, der ellers ville være umulig på grund af overhead i tid og manuelt arbejde. De robot elementer er frit programmerbare og handle selvstændigt, da de er udstyret med sensorer, aktuatorer til stimuli levering, og mikroprocessorer. Mens vi fokuserer her på nærhed sensing (dvs., måling af afstande på tæt afstand) og lys stimuli, mange andre muligheder er gennemførlige. For eksempel kan sensorer bruges til at analysere plante farve, til at overvåge biokemiske aktivitet6, eller til fytosensing7 tilgange til at overvåge for eksempel miljømæssige forhold gennem plante Elektrofysiologi8. Tilsvarende kan aktuatoroptioner give andre typer af stimuli9, gennem vibrationsmotorer, sprøjte anordninger, varmeapparater, ventilatorer, skygge enheder eller manipulatorer til direkte fysisk kontakt. Yderligere aktiveringsstrategier kunne implementeres for at give robotterne langsom mobilitet (dvs. “Slow bots”10), således at de gradvist kunne ændre den position og retning, som de giver stimuli fra. Desuden, da robotterne er udstyret med enkelt-bord computere, de kunne køre mere sofistikerede processer såsom visioning for plante fænotype11 eller kunstige neurale netværk controllere for stimuli aktivering12. Da den plante videnskabelige forskning fokus er ofte på tidlig vækst (dvs., i skud)13, hele domænet for at bruge autonome robotsystemer til at påvirke planter over længere perioder synes under udforsket og kan tilbyde mange fremtidige muligheder. Går endnu et skridt videre, de robot elementer kan ses som objekter af forskning selv, så studiet af den komplekse dynamik i Bio-hybridsystemer dannet af robotter og planter tæt samspil. Robotterne selektivt pålægge stimuli på planterne, planterne reagerer i henhold til deres adaptive adfærd og ændre deres vækstmønster, som efterfølgende detekteres af robotterne via deres sensorer. Vores tilgang lukker den adfærdsmæssige feedback loop mellem planterne og robotterne og skaber en homeostatisk kontrol sløjfe.
I vores eksperimenter til at teste funktionen af robotsystemet, vi udelukkende bruge klatring fælles bønne, Phaseolus vulgaris. I denne opsætning bruger vi klatreplanter, med mekaniske understøtninger i en gitter stillads af Total højde 180 cm, således at planterne er påvirket af thigmotropism og har et begrænset sæt af vækst retninger at vælge imellem. I betragtning af at vi ønsker at forme hele planten over en periode på uger, bruger vi blå lys stimuli til at påvirke anlæggets Fototropisme makroskopisk, over forskellige vækstperioder, herunder unge skud og senere stængelstiklinger. Vi gennemfører eksperimenter i fuldt kontrollerede omgivende lys forhold, hvor andre end de blå lys stimuli vi giver udelukkende rødt lys, med peak emission ved bølgelængde 650 nm. Når de når en bifurcation i den mekaniske støtte gitter, de gør en binær beslutning om at vokse til venstre eller højre. Robotterne er placeret ved disse mekaniske bifurkationer, adskilt af afstande på 40 cm. De selvstændigt aktivere og deaktivere deres blå lys udledning, med peak emission ved bølgelængde 465 Nm, ifølge en foruddefineret kort over det ønskede vækstmønster (i dette tilfælde en zigzag mønster). På denne måde er planterne guidet fra bifurcation til bifurcation i en defineret sekvens. Kun én robot er aktiveret på et givet tidspunkt — hvor den udsender blåt lys, mens den selvstændigt overvåger anlæggets vækst på den mekaniske støtte nedenunder. Når det opdager en voksende spids ved hjælp af sine infrarøde nærhed sensorer, det stopper udsender blåt lys og kommunikerer til sine tilstødende robotter via radio. Robotten, der bestemmer sig for at være det næste mål i sekvensen derefter aktiveres, tiltrække plantevækst mod en ny mekanisk bifurcation.
Da vores tilgang inkorporerer både manipuleret og naturlige mekanismer, vores eksperimenter omfatter flere metoder, der opererer samtidigt og indbyrdes afhængige. Protokollen her er først organiseret i henhold til den type metode, som hver især skal integreres i en samlet eksperiment setup. Disse typer er plantearter udvælgelse; robot design, herunder hardware og mekanik; robot software til kommunikation og kontrol; overvågning og vedligeholdelse af plantesundhed. Protokollen fortsætter derefter med eksperimentet design, efterfulgt af dataindsamling og registrering. For fuldstændige oplysninger om hidtil opnåede resultater, se Wahby et al.14. Repræsentative resultater omfatter tre typer eksperimenter — kontrol eksperimenter, hvor alle robotter ikke giver stimuli (dvs. er inaktive); eksperimenter med en enkelt beslutning, hvor anlægget foretager et binært valg mellem en stimulerende robot og en, der er i dvale. og multiple-beslutning eksperimenter, hvor planten navigerer en sekvens af binære valg til at dyrke et foruddefineret mønster.
Den præsenterede metodologi viser de første skridt i retning af at automatisere den stimuli-drevne styring af plantevæksten, for at generere specifikke mønstre. Dette kræver kontinuerlig vedligeholdelse af plantesundhed og samtidig kombinere i et enkelt eksperiment setup de forskellige riger af biokemiske vækst svar og manipuleret Mechatronic funktioner-sensing, kommunikation, og kontrolleret generation af stimuli. Da vores fokus her er på klatreplanter, mekanisk støtte er også integreret. En begrænsning af den nuværende opsætning er dens omfang, men vi mener, at vores metode nemt skalerer. Den mekaniske stillads kan udvides til større opsætninger og derfor længere perioder med vækst, som også giver mulighed for udvidede konfigurationer og mønstre. Her er opsætningen begrænset til to dimensioner og binære venstre-højre-beslutninger, da væksten er begrænset til et gitter af mekaniske understøtninger ved 45 ° hældning, og planternes beslutnings positioner er begrænset til det pågældende nets bifurkationer. Mekaniske forlængelser kan omfatte 3D stilladser og forskellige materialer, for at give mulighed for komplekse former9,19. Metoden kan betragtes som et system til automatisk at vokse mønstre defineret af en bruger. Ved at udvide den mulige kompleksitet af mekaniske konfigurationer, bør brugerne står over for nogle begrænsninger på deres ønskede mønstre. For en sådan ansøgning, bør en bruger software værktøj bekræfte, at mønsteret er producible, og mechatronics bør derefter selv organisere produktionen af mønsteret ved at generere passende stimuli til at styre planterne. Softwaren bør også udvides til at omfatte genopretningsplaner og politikker, der afgør, hvordan man kan fortsætte med væksten, hvis den oprindelige planlagte mønster er delvist mislykkedes-for eksempel hvis den første aktiverede robot aldrig har opdaget en plante, men de hvilende dem har set, at positionen af de voksende spidser er uden for den aktiverede robot.
I den præsenterede metode, et eksempel plantearter, der opfylder kriterierne for udvælgelse af protokoller er klatring fælles bønne, P. vulgaris. Dette er de arter, der anvendes i de repræsentative resultater. Da P. vulgaris har stærk positiv Fototropisme til UV-A og blåt lys, vil fototropins (Light-receptor proteiner) i planten absorbere fotoner svarende til bølgelængder 340-500 nm. Når receptorerne udløses, vil første hævelse forekomme i stammen ved den præferentielle udflytning af vand til stammen væv modstå de udløste receptorer, forårsager en reversibel retningsbestemt respons. Derefter, inden stammen, auxin (plante mønster hormon) er rettet til den samme væv placering, foregivende den retningsbestemte respons og fastsættelse af stængel væv, som de stivere. Denne adfærd kan bruges til at forme planterne i disse kontrollerede indendørs forhold, da planterne kun udsættes for isoleret blåt lys og isoleret rødt lys, med hændelse langt rødt lys fra IR-nærhed sensorer på lavt nok niveauer, at det ikke forstyrrer med adfærd såsom skygge-undgåelse svar20,21. Den Fototropisme reaktion i planten reagerer i opsætningen til lys fra blå dioder med peak emission ƛmax = 465 Nm, og fotosyntese22,23 i planten understøttes af røde dioder med peak emission ƛmax = 650 nm. P. vulgaris vokser op til flere meter i højden er velegnet i den samlede opsætning, som den omkring 3 L kommercielle havearbejde jord behov per gryde passer til opsætningen skala.
Selvom den aktuelle opsætning fokuserer på lys som en tiltrækningskraft stimulus, kan yderligere stimuli være relevante for andre eksperimenttyper. Hvis det ønskede mønster kræver en adskillelse mellem forskellige grupper af planter (f. eks. har det ønskede mønsterbrug for to grupper af planter til at vælge modstående sider), så er det måske ikke muligt at bruge kun én type af stimulus. For sådanne komplekse vækstmønstre uafhængigt af stilladser form, kan de forskellige grupper af planter potentielt dyrkes i forskellige tidsperioder, således at deres respektive tiltrækning stimuli ikke blande sig, hvilket også ville tillade integration af forgrenings Begivenheder. Dette kan dog ikke altid være en passende løsning, og standard attraktive lys stimulus kan derefter blive forstærket ved at afvise påvirkninger såsom skygger, eller ved andre stimuli som langt-rødt lys eller vibrationer motorer9,14.
Den præsenterede metode og eksperimentet design er kun et indledende første skridt i retning af en sofistikeret metode til automatisk at påvirke retningsbestemt vækst af planter. Eksperimentet setup er grundlæggende ved at bestemme kun en sekvens af binære beslutninger i planterne, og vi fokuserer på en, let at styre stimulus. Yderligere undersøgelser vil være påkrævet for at bevise metodens statistiske signifikans, for at tilføje flere stimuli, og for at kontrollere andre processer såsom forgrening. Med tilstrækkelig udvikling til at garantere den langsigtede pålidelighed af robotterne, den præsenterede metode kan give mulighed for automatisering af plante forsøg over lange perioder, reducere overhead forbundet med studiet af plante udvikling stadier ud over at skud. Lignende metoder kan give mulighed for fremtidige undersøgelser af den under udforskede dynamik mellem biologiske organismer og autonome robotter, når de to fungerer som tæt koblede selvorganiserende bio-hybridsystemer.
The authors have nothing to disclose.
Denne undersøgelse blev støttet af flora robotica-projektet, der modtog støtte fra eu’s Horizon 2020-program for forskning og innovation under FET-tilskudsaftalen, nr. 640959. Forfatterne takker Anastasios Getsopulos og Ewald Neufeld for deres bidrag til maskinel montage og Tanja Katharina Kaiser for hendes bidrag til overvågning af 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 |