Dirigir el crecimiento direccional de las plantas con un sistema autónomo es un concepto novedoso y original que no se informó antes. La clave aquí para nosotros es averiguar lo que es realmente factible. Nuestra técnica es el primer método automatizado para cultivar plantas en formas y formas deseadas utilizando nodos robóticos para detectar plantas con sus sensores y cambiar los estímulos en consecuencia.
Este método y los robots utilizados aquí se pueden emplear con estructuras de crecimiento dinámico donde los comentarios determinan el desarrollo del sistema biohíbrido. Mantener la salud de las plantas y detectar su presencia en los puntos de intersección es un reto. Asegúrese de que las fuentes de luz externas no están desencadenando respuestas fototrópicas en un estado de error.
La demostración visual es necesaria para mostrar la colaboración entre plantas y robots durante períodos de tiempo prolongados para desarrollar patrones de crecimiento definidos por el usuario. Julian Ptezold, un estudiante de posgrado en nuestro grupo de investigación, demostrará el procedimiento del experimento. Antes de comenzar un experimento, seleccione una especie de planta conocida por mostrar un fuerte fototropismo positivo hacia la luz ultravioleta A y azul en las puntas de crecimiento.
Elegimos Phaseolus vulgaris o frijoles comunes porque crecen rápido y muestran un fuerte crecimiento direccional hacia la luz azul. Componga cada robot alrededor de una computadora inalámbrica de área local inalámbrica de una sola placa e interconecte el ordenador con sensores y actuadores a través de una placa de circuito impreso personalizada. Incluya un sensor de proximidad infrarrojo por dirección que se está probando para acercarse a las plantas, incluidos suficientes diodos emisores de luz para ofrecer los requisitos de luz azul por dirección que se están probando para las plantas que se aproximan.
Incluya hardware que permita señales locales entre robots e incluya un fotorresistor para cada dirección del robot vecino para monitorear su estado de emisión de luz. Incluya hardware para disipar el calor según lo requieran las condiciones de los diodos azules seleccionados y el gabinete de robot utilizado utilizando una combinación de disipadores de calor de aluminio, respiraderos en el gabinete de la caja de cada robot y ventiladores. Después de confirmar que las direcciones de los componentes del robot están bien atendidas, coloque los diodos azules para distribuir una intensidad de luz equivalente a cada una de las direcciones desde las que las plantas pueden acercarse y orientar cada diodo en la caja del robot de modo que el eje central de su ángulo de lente esté dentro de los 60 grados de cada eje del soporte mecánico al que presta servicio.
Coloque los sensores de proximidad infrarrojos de manera equivalente para sus respectivas direcciones de crecimiento cercanas dentro de un centímetro del punto de fijación entre el robot y el soporte mecánico que se está atestando orientando cada sensor de manera que su ángulo de visión sea paralelo al eje de soporte. A continuación, coloque una lámina de 125 por 180 centímetros de acrílico transparente en un soporte de 125 centímetros de ancho que sea capaz de sujetar la configuración en posición vertical. Integre los robots en un conjunto de soportes mecánicos modulares que mantengan a los robots en posición y sirvan como andamios de escalada para que las plantas restrinjan las trayectorias de crecimiento promedio probables de las plantas.
En cada robot, incluya puntos de fijación para anclar los soportes mecánicos específicos, incluido un punto de unión para cada dirección por el cual una planta puede acercarse o salir de un robot. Coloque las macetas con el suelo apropiado en el soporte contra la lámina de acrílico y coloque dos robots en la lámina de acrílico insertando los extremos de los soportes colocados previamente en los zócalos en las cajas del robot. A continuación, repita el patrón para colocar los robots restantes y apoyar en el patrón diagonalmente afilado de tal manera que cada fila de robots está 35 centímetros por encima de la fila anterior y que cada robot se coloca horizontalmente directamente por encima del robot o articulación Y que es dos filas por debajo.
Los soportes mecánicos deben estar dispuestos en un patrón regularmente afilado que sea uniformemente diagonal con un ángulo de inclinación a 45 grados o más pronunciado con longitudes de soporte uniformes de un mínimo de 30 centímetros por soporte. La longitud expuesta preferida debe ser de al menos 40 centímetros para permitir algún tampón para casos estadísticamente extremos de desprendimiento de plantas. En el software del robot, establezca un estado de estímulo durante el cual el robot emita luz azul y un estado inactivo durante el cual el robot no emita luz o emita luz roja.
Coloque la configuración experimental en condiciones ambientales controladas y mantenga la fotosíntesis de la planta utilizando lámparas de crecimiento de diodos emisores de luz externas a los robots y orientadas a la configuración experimental. Después de germinar, proporcione a cada planta su propia maceta en la base de la configuración experimental y regule los niveles de temperatura y humedad del aire según corresponda para las especies seleccionadas utilizando calentadores, aires acondicionados, humidificadores y deshu humidificadores según sea necesario y controle estos niveles utilizando un sensor de humedad de presión de temperatura. Para probar el crecimiento de la planta en presencia de múltiples condiciones de estímulo posteriores, proporcione a los robots un mapa global del patrón a cultivar y capture continuamente videos timelapsed de los experimentos utilizando cámaras colocadas en dos o más puntos de vista con al menos una vista de cámara que abarque la configuración experimental completa.
Asegúrese de que las imágenes capturadas son de una resolución lo suficientemente alta como para capturar adecuadamente los movimientos de las puntas de crecimiento de la planta que suelen tener unos pocos milímetros de ancho. A continuación, observe los eventos de unión de la planta y el patrón de crecimiento a lo largo de los soportes mecánicos durante un período de crecimiento experimental adecuado. En condiciones carentes de luz azul, el fototropismo positivo no se activa y las plantas presentan un crecimiento ascendente imparcial a medida que siguen el gravitropismo.
Las plantas también mostraban circunnutación típicamente. Como se esperaba en estas condiciones, las plantas no encuentran el soporte mecánico que conduce a los robots inactivos y colapsan cuando ya no pueden soportar su propio peso. El experimento debe detenerse cuando al menos dos plantas colapsen.
En este experimento representativo de una sola decisión, los robots de estímulo dirigió con éxito las plantas hacia el soporte correcto. En este experimento representativo de múltiples decisiones, las plantas se convirtieron en un patrón de zigzag predefinido utilizando robots inactivos y de estímulo para detectar y estimular el crecimiento de la planta respectivamente hasta que el patrón de zigzag predefinido se hizo completamente cultivado. El estudio de este tipo de sistema biohíbrido allana el camino hacia técnicas emergentes de arquitectura, biología e ingeniería para desarrollar estructuras adaptativas vivas y cultivar componentes de edificios.
