Orientar o crescimento direcional das plantas com um sistema autônomo é um conceito novo e original que não foi relatado antes. A chave aqui para nós é descobrir o que é realmente viável. Nossa técnica é o primeiro método automatizado para cultivar plantas em formas e formas desejadas usando nós robóticos para detectar plantas com seus sensores e mudar os estímulos de acordo.
Este método e os robôs utilizados aqui podem ser empregados com estruturas de crescimento dinâmico onde os feedbacks determinam o desenvolvimento do sistema biohíbrido. Manter a saúde das plantas e detectar sua presença em pontos de cruzamento é um desafio. Certifique-se de que as fontes externas de luz não estão desencadeando respostas fototrópicas em um estado de falha.
A demonstração visual é necessária para mostrar a colaboração entre plantas e robôs durante longos períodos de tempo para aumentar os padrões de crescimento definidos pelo usuário. Julian Ptezold, um estudante de pós-graduação em nosso grupo de pesquisa, vai demonstrar o procedimento de experimento. Antes de iniciar um experimento, selecione uma espécie de planta conhecida por exibir um fototropismo positivo forte em direção à luz ultravioleta A e azul nas pontas crescentes.
Escolhemos phaseolus vulgaris ou feijões comuns porque eles crescem rápido e mostram um forte crescimento direcional em direção à luz azul. Componha cada robô em torno de um computador local sem fio de uma única placa e interface do computador para sensores e atuadores através de uma placa de circuito impresso personalizada. Inclua um sensor de proximidade infravermelho por direção que está sendo testado para as plantas que se aproximam, incluindo diodos emissores de luz suficientes para fornecer os requisitos de luz azul por direção que está sendo testado para as plantas próximas.
Inclua hardware que permite pistas locais entre robôs e inclua um fotoresistor para cada direção do robô vizinho para monitorar seu status de emitemento de luz. Inclua hardware para dissipar o calor conforme exigido pelas condições dos diodos azuis selecionados e o gabinete do robô utilizado usando uma combinação de dissipadores de calor de alumínio, aberturas no gabinete de cada robô e ventiladores. Depois de confirmar que as direções dos componentes do robô são uniformemente atendidas, posicione os diodos azuis para distribuir uma intensidade de luz equivalente a cada uma das direções das quais as plantas podem se aproximar e orientar cada diodo no caso do robô de modo que o eixo central de seu ângulo de lente esteja dentro de 60 graus de cada eixo do suporte mecânico que ele atende.
Posicione os sensores de proximidade infravermelho equivalentemente para suas respectivas direções de crescimento próximas dentro de um centímetro do ponto de fixação entre o robô e o suporte mecânico que está sendo atendido orientando cada sensor de modo que seu ângulo de visão seja paralelo ao eixo de suporte. Em seguida, afixe uma folha de 125 por 180 centímetros de acrílico transparente em um suporte de 125 centímetros de largura que é capaz de segurar a configuração em uma posição vertical. Integre os robôs em um conjunto de suportes mecânicos modulares que mantêm os robôs em posição e servem como andaimes de escalada para as plantas restringirem as trajetórias médias de crescimento das plantas.
Em cada robô, inclua pontos de fixação para ancorar os suportes mecânicos específicos, incluindo um ponto de fixação para cada direção pelo qual uma planta pode se aproximar ou partir de um robô. Posicione os potes com o solo apropriado no suporte contra a folha de acrílico e afixe dois robôs na folha de acrílico inserindo as extremidades dos suportes previamente colocados nas tomadas nos casos de robôs. Em seguida, repita o padrão para afixar os robôs restantes e suporte no padrão diagonalmente gritted de tal forma que cada linha de robôs está 35 centímetros acima da linha anterior e que cada robô está posicionado horizontalmente diretamente acima do robô ou da junta Y que está duas linhas abaixo.
Os suportes mecânicos devem ser organizados em um padrão regularmente enrugado que é uniformemente diagonal com um ângulo de inclinação a 45 graus ou mais íngreme com comprimentos de suporte uniformes de um mínimo de 30 centímetros por suporte. O comprimento exposto preferido deve ser de pelo menos 40 centímetros para permitir algum tampão para casos estatisticamente extremos de descolamento de plantas. No software robô, estabeleça um estado de estímulo durante o qual o robô emite luz azul e um estado adormecido durante o qual o robô não emite luz ou emite luz vermelha.
Coloque a configuração experimental em condições ambientais controladas e mantenha a fotossíntese da planta usando lâmpadas de crescimento de diodo emissoras de luz externas aos robôs e enfrentando a configuração experimental. Após a germinação, forneça a cada planta seu próprio pote na base da configuração experimental e regular os níveis de temperatura e umidade do ar conforme apropriado para as espécies selecionadas usando aquecedores, condicionadores de ar, umidificadores e desidificadores conforme necessário e monitorando esses níveis usando um sensor de umidade de pressão de temperatura. Para testar o crescimento da planta na presença de múltiplas condições de estímulos subsequentes, forneça aos robôs um mapa global do padrão a ser cultivado e capture continuamente vídeos timelapsed dos experimentos usando câmeras posicionadas em dois ou mais pontos de vantagem com pelo menos uma visão de câmera abrangendo a configuração experimental completa.
Certifique-se de que as imagens capturadas são de uma resolução alta o suficiente para capturar adequadamente os movimentos das pontas de cultivo da planta que normalmente são apenas alguns milímetros de largura. Em seguida, observe os eventos de fixação da planta e o padrão de crescimento ao longo dos suportes mecânicos durante um período de crescimento experimental adequado. Em condições sem luz azul, o fototropismo positivo não é acionado e as plantas exibem crescimento ascendente não imparcial à medida que seguem o gravitropismo.
As plantas também apresentaram circunnação tipicamente. Como esperado nessas condições, as plantas não conseguem encontrar o suporte mecânico que leva aos robôs adormecidos e colapsam quando não podem mais suportar seu próprio peso. O experimento deve ser interrompido quando pelo menos duas plantas entrarem em colapso.
Neste experimento representativo de decisão única, os robôs de estímulo direcionaram com sucesso as plantas para o suporte correto. Neste experimento representativo de múltiplas decisões, as plantas se tornaram um padrão em ziguezague pré-definido usando robôs dormentes e de estímulo para sentir e estimular o crescimento da planta, respectivamente, até que o padrão de ziguezague pré-definido fosse totalmente cultivado. Estudar esse tipo de sistema biohíbrido abre caminho para técnicas emergentes da arquitetura, biologia e engenharia para desenvolver estruturas adaptativas vivas e crescer componentes de construção.
