Name: robotic sensing and stimuli provision for guided plant growth
Uploaded: 2019-07-01T15:00:00
Duration: 8 min 2 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Robotic Sensing and Stimuli Provision for Guided Plant Growth at JoVE.com

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.

<ol>
	<li>&#197;strand, B., Baerveldt, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+agricultural+mobile+robot+with+vision-based+perception+for+mechanical+weed+control.">An agricultural mobile robot with vision-based perception for mechanical weed control.</a> Autonomous Robots. 13 (1), 21-35 (2002).</li><li>Blackmore, B. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+systems+view+of+agricultural+robots.">A systems view of agricultural robots.</a> Proceedings of 6th European conference on precision agriculture (ECPA). , 23-31 (2007).</li><li>Edan, Y., Han, S., Kondo, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Automation+in+agriculture.">Automation in agriculture.</a> Springer handbook of automation. , 1095-1128 (2009).</li><li>Van Henten, E. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+autonomous+robot+for+harvesting+cucumbers+in+greenhouses.">An autonomous robot for harvesting cucumbers in greenhouses.</a> Autonomous Robots. 13 (3), 241-258 (2002).</li><li>Al-Beeshi, B., Al-Mesbah, B., Al-Dosari, S., El-Abd, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=iplant:+The+greenhouse+robot.">iplant: The greenhouse robot.</a> Proceedings of IEEE 28th Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering (CCECE). , 1489-1494 (2015).</li><li>Giraldo, J. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Plant+nanobionics+approach+to+augment+photosynthesis+and+biochemical+sensing.">Plant nanobionics approach to augment photosynthesis and biochemical sensing.</a> Nature Materials. 13 (4), (2014).</li><li>Mazarei, M., Teplova, I., Hajimorad, M. R., Stewart, C. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pathogen+phytosensing:+Plants+to+report+plant+pathogens.">Pathogen phytosensing: Plants to report plant pathogens.</a> Sensors. 8 (4), 2628-2641 (2008).</li><li>Zimmermann, M. R., Mith&#246;fer, A., Will, T., Felle, H. H., Furch, A. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Herbivore-triggered+electrophysiological+reactions:+candidates+for+systemic+signals+in+higher+plants+and+the+challenge+of+their+identification.">Herbivore-triggered electrophysiological reactions: candidates for systemic signals in higher plants and the challenge of their identification.</a> Plant Physiology. , 01736 (2016).</li><li>Hamann, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Flora robotica--An Architectural System Combining Living Natural Plants and Distributed Robots. , (2017).</li><li>Arkin, R. C., Egerstedt, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Temporal+heterogeneity+and+the+value+of+slowness+in+robotic+systems.">Temporal heterogeneity and the value of slowness in robotic systems.</a> Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO). , 1000-1005 (2015).</li><li>Mahlein, A. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Plant+disease+detection+by+imaging+sensors-parallels+and+specific+demands+for+precision+agriculture+and+plant+phenotyping).">Plant disease detection by imaging sensors-parallels and specific demands for precision agriculture and plant phenotyping).</a> Plant Disease. 100 (2), 241-251 (2016).</li><li>Wahby, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+robot+to+shape+your+natural+plant:+the+machine+learning+approach+to+model+and+control+bio-hybrid+systems.">A robot to shape your natural plant: the machine learning approach to model and control bio-hybrid systems.</a> Proceedings of the Genetic and Evolutionary Computation Conference (GECCO &#39;18). , 165-172 (2018).</li><li>Bastien, R., Douady, S., Moulia, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+unified+model+of+shoot+tropism+in+plants:+photo-,+gravi-and+propio-ception.">A unified model of shoot tropism in plants: photo-, gravi-and propio-ception.</a> PLoS Computational Biology. 11 (2), e1004037 (2015).</li><li>Wahby, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Autonomously+shaping+natural+climbing+plants:+a+bio-hybrid+approach.">Autonomously shaping natural climbing plants: a bio-hybrid approach.</a> Royal Society Open Science. 5 (10), 180296 (2018).</li><li>Liscum, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phototropism:+growing+towards+an+understanding+of+plant+movement.">Phototropism: growing towards an understanding of plant movement.</a> Plant Cell. 26, 38-55 (2014).</li><li>Christie, J. M., Murphy, A. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Shoot+phototropism+in+higher+plants:+new+light+through+old+concepts.">Shoot phototropism in higher plants: new light through old concepts.</a> American Journal of Botany. 100, 35-46 (2013).</li><li>Migliaccio, F., Tassone, P., Fortunati, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Circumnutation+as+an+autonomous+root+movement+in+plants.">Circumnutation as an autonomous root movement in plants.</a> American Journal of Botany. 100, 4-13 (2013).</li><li>Gianoli, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+behavioural+ecology+of+climbing+plants.">The behavioural ecology of climbing plants.</a> AoB Plants. 7, (2015).</li><li>Vestartas, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+Tools+and+Workflows+for+Braided+Structures.">Design Tools and Workflows for Braided Structures.</a> Proceedings of Humanizing Digital Reality. , 671-681 (2018).</li><li>Pierik, R., De Wit, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Shade+avoidance:+phytochrome+signalling+and+other+aboveground+neighbour+detection+cues.">Shade avoidance: phytochrome signalling and other aboveground neighbour detection cues.</a> Journal of Experimental Botany. 65 (10), 2815-2824 (2014).</li><li>Fraser, D. P., Hayes, S., Franklin, K. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photoreceptor+crosstalk+in+shade+avoidance.">Photoreceptor crosstalk in shade avoidance.</a> Current Opinion in Plant Biology. 33, 1-7 (2016).</li><li>Hogewoning, S. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photosynthetic+Quantum+Yield+Dynamics:+From+Photosystems+to+Leaves.">Photosynthetic Quantum Yield Dynamics: From Photosystems to Leaves.</a> The Plant Cell. 24 (5), 1921-1935 (2012).</li><li>McCree, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+action+spectrum,+absorptance+and+quantum+yield+of+photosynthesis+in+crop+plants.">The action spectrum, absorptance and quantum yield of photosynthesis in crop plants.</a> Agricultural Meteorology. 9, 191-216 (1971).</li><li>. Autonomously shaping natural climbing plants: a bio-hybrid approach [Dataset] Available from: <a target="_blank" href="https://doi.org/10.5281/zenodo.1172160">https://doi.org/10.5281/zenodo.1172160</a> (2018)</li></ol>

Forfatterne erklærer, at de ikke har nogen konkurrerende finansielle interesser.

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.

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.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>3D printed case</td>
			<td>Shapeways, Inc</td>
			<td>n/a</td>
			<td>Customized product, https://www.shapeways.com/</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3D printed joints</td>
			<td>n/a</td>
			<td>n/a</td>
			<td>Produced by authors</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Adafruit BME280 I2C or SPI Temperature Humidity Pressure Sensor</td>
			<td>Adafruit</td>
			<td>2652</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Arduino Uno Rev 3</td>
			<td>Arduino</td>
			<td>A000066</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CdS photoconductive cells</td>
			<td>Lida Optical &#38; Electronic Co., Ltd</td>
			<td>GL5528</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cybertronica PCB</td>
			<td>Cybertronica Research</td>
			<td>n/a</td>
			<td>Customized product, http://www.cybertronica.de.com/download/D2_node_module_v01_appNote16.pdf</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DC Brushless Blower Fan</td>
			<td>Sunonwealth Electric Machine Industry Co., Ltd.</td>
			<td>UB5U3-700</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Digital temperature sensor</td>
			<td>Maxim Integrated</td>
			<td>DS18B20</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High Power (800 mA) EPILED - Far Red / Infra Red (740-745 nm)</td>
			<td>Future Eden Ltd.</td>
			<td>n/a</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>I2C Soil Moisture Sensor</td>
			<td>Catnip Electronics</td>
			<td>v2.7.5</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>IR-proximity sensors (4-30 cm)</td>
			<td>Sharp Electronics</td>
			<td>GP2Y0A41SK0</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LED flashlight (50 W)</td>
			<td>Inter-Union Technohandel GmbH</td>
			<td>103J50</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LED Red Blue Hanging Light for Indoor Plant (45 W)</td>
			<td>Erligpowht</td>
			<td>B00S2DPYQM</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Low-voltage submersible pump 600 l/h (6 m rise)</td>
			<td>Peter Barwig Wasserversorgung</td>
			<td>444</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Medium density fibreboard</td>
			<td>n/a</td>
			<td>n/a</td>
			<td>For stand</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micro-Spectrometer (Hamamatsu) on an Arduino-compatible breakout board</td>
			<td>Pure Engineering LLC</td>
			<td>C12666MA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pixie - 3W Chainable Smart LED Pixel</td>
			<td>Adafruit</td>
			<td>2741</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pots (3.5 l holding capacity, 15.5 cm in height)</td>
			<td>n/a</td>
			<td>n/a</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Power supplies (5 V, 10 A)</td>
			<td>Adafruit</td>
			<td>658</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Raspberry Pi 3 Model B</td>
			<td>Raspberry Pi Foundation</td>
			<td>3B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Raspberry Pi Camera Module V2</td>
			<td>Raspberry Pi Foundation</td>
			<td>V2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Raspberry Pi Zero</td>
			<td>Raspberry Pi Foundation</td>
			<td>Zero</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>RGB Color Sensor with IR filter and White LED - TCS34725</td>
			<td>Adafruit</td>
			<td>1334</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sowing and herb soil</td>
			<td>Gardol</td>
			<td>n/a</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>String bean</td>
			<td>SPERLI GmbH</td>
			<td>402308</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Transparent acrylic 5 mm sheet</td>
			<td>n/a</td>
			<td>n/a</td>
			<td>For supplemental structural support</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wooden rods (birch wood), painted black, 5 mm diameter</td>
			<td>n/a</td>
			<td>n/a</td>
			<td>For plants to climb</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

robotic sensing and stimuli provision for guided plant growth

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.

Kontrol: Plant adfærd uden robot stimuli. På grund af manglen på blåt lys (dvs. alle robotter er hvilende), er positiv Fototropisme ikke udløst i planten. Derfor planter viser objektiv opadgående vækst, som de følger gravitropisme. De viser også typisk omkreds (dvs. vikling), se figur 4a. Som forventet, planterne undlader at finde den mekaniske støtte, der fører til hvil ende robotter. Planterne kollapser, når de ikke længere kan støtte deres egen vægt. Vi standser forsøgene, når mindst to planter kollapser, se figur 4b, C.
Enkelt eller flere beslutninger: Plant adfærd med robot stimuli I fire enkelt-beslutning eksperimenter, to kørsler har mod styring (dvs., robotten venstre for bifurcation er aktiveret til stimulus), og to kørsler har højrestyring. Stimulus robotter med succes styre planterne mod den korrekte støtte, se figur 5. Den nærmeste plante med stilk vinkel mest ligner den korrekte støtte lægger først. I hvert forsøg binder mindst én plante sig til støtten og klatner den, indtil den når stimulus robotten og dermed afslutter eksperimentet. I et eksperiment, en anden plante tillægger den korrekte støtte. De resterende anlæg kan også vedhæfte i længere eksperimentets varighed. Ingen af planterne tillægger den forkerte støtte. Hvert eksperiment kører kontinuerligt i 13 dage i gennemsnit.
I to eksperimenter med flere beslutninger , vokser planterne til et foruddefineret zigzag mønster, se figur 6a. Hvert eksperiment kører i ca. syv uger. Som et eksperiment starter, en robot sætter sin status til stimulus (Se 3.6.3) og styrer planterne mod den korrekte støtte i henhold til det fastsatte mønster. En plante lægger og klatber det, ankommer til den aktiverede stimulus robot derfor fuldføre den første beslutning. Ifølge 3.7.3, den nuværende stimulus robot derefter bliver hvil ende og underretter sine tilstødende naboer. Den sovende nabo, der er næste på zigzag mønster skifter sig til stimulus (Se 3.7.6). Hvis et anlæg detekteres af en hvil ende robot, reagerer robotten ikke (Se 3.7.2). Planterne fortsætter og fuldfører de resterende tre beslutninger med succes. Det foruddefinerede zigzag mønster er derfor fuldt dyrket, se figur 6b.
Alle eksperimentdata, samt videoer, er tilgængelige online24.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59835/59835fig1.jpg"> Figur 1. Den immobile robot og dens primære komponenter. Figur Genoptrykt fra forfatter publikation Wahby et al.14, bruges med Creative Commons License CC-by 4,0 (Se supplerende filer), med ændringer som tilladt af licens. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59835/59835fig1large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59835/59835fig2.jpg"> Figur 2. Den komponentdiagram af immobile robot elektronik. IRLML2060 led-drivere er forbundet med robottens enkelt-bræt computer (f. eks. Raspberry PI) via PWM for at styre lysstyrken på lysdioder. En LP5907-switch er forbundet med en enkelt-Board-computer via en GPIO-headerpin (General-Purpose input/output) for at styre ventilatoren. En MCP3008 analog-til-digital Converter (ADC) er forbundet med enkelt-Board computer via seriel perifer grænseflade (SPI) til at læse de analoge IR og lys-afhængige modstand (LDR) sensordata. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59835/59835fig2large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59835/59835fig3.jpg"> Figur 3. Kort efter ' 03.04.16, ' en plante spids klatber en støtte og ankommer i synsfeltet af robotten. (A) prøve IR-Nærhedssensor skalerede spændings aflæsninger (lodret akse) under et eksperiment. Højere værdier indikerer detektering af plantetip. (B) IR-nærhedssensoren anbringes og orienteres efter støtte tilbehøret for at sikre en effektiv detektering af plante spids. Figur Genoptrykt fra forfatter publikation Wahby et al.14, bruges med Creative Commons License CC-by 4,0 (Se supplerende filer), med ændringer som tilladt af licens. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59835/59835fig3large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59835/59835fig4.jpg"> Figur 4. Kontrol eksperimenter resultatrammer viser, at alle fire planter ikke tillægger nogen støtte i fravær af blåt lys. (A) efter fem dage vokser alle planter opad i et af kontrol forsøgene (Se (C) for senere vækst tilstand). (B) efter 15 dage kollapsede tre planter, og man voksede stadig opad i det første kontrol eksperiment. (C) efter syv dage kollapsede to planter, og to voksede stadig opad i det andet kontrol eksperiment (Se (a) for tidligere vækst tilstand). Figur Genoptrykt fra forfatter publikation Wahby et al.14, bruges med Creative Commons License CC-by 4,0 (Se supplerende filer), med ændringer som tilladt af licens. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59835/59835fig4large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59835/59835fig5.jpg"> Figur 5. Enkelt-beslutning eksperimenter resultat frames viser evne til en stimulus robot til at styre planterne gennem en binær beslutning, at klatre den korrekte støtte. I alle fire eksperimenter, en robot er sat til stimulus og den anden til hvilende-på to modsatte sider af et knudepunkt. Rammerne viser planternes placering lige før stimulus robotten opdager dem. I hvert forsøg tillægger mindst én plante den korrekte støtte, og ingen plante binder sig til den forkerte. Også, de ikke-understøttede planter viser vækst forudindtaget mod stimulus robot. E, F, G, H er closeups af A, B, C, D hhv. Figur Genoptrykt fra forfatter publikation Wahby et al.14, bruges med Creative Commons License CC-by 4,0 (Se supplerende filer), med ændringer som tilladt af licens. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59835/59835fig5large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59835/59835fig6v2.jpg"> Figur 6. Eksperiment med flere beslutninger . (A) det målrettede zigzag mønster fremhæves med grønt på kortet. (B) den sidste frame fra eksperimentet (efter 40 dage), viser planternes situation, før den sidste stimulus robot på mønsteret registrerer dem. Robotterne med succes dyrke zigzag mønster. Figur Genoptrykt fra forfatter publikation Wahby et al.14, bruges med Creative Commons License CC-by 4,0 (Se supplerende filer), med ændringer som tilladt af licens. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59835/59835fig6large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Robotic Sensing and Stimuli Provision for Guided Plant Growth at JoVE.com

Robotic Sensing and Stimuli Provision for Guided Plant Growth

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 sensing og stimuli bestemmelse for guidet plantevækst

Robot systems are actively researched for manipulation of natural plants, typically restricted to agricultural automation activities such as harvest, ...

Styring af retningsbestemt vækst af planter med et selvstændigt system er et nyt og originalt koncept, der ikke blev rapporteret før. Det centrale her for os er at finde ud af, hvad der rent faktisk er muligt. Vores teknik er den første automatiserede metode til at dyrke planter i ønskede former og former ved hjælp af robotnoder til at detektere planter med deres sensorer og skifte stimuli i overensstemmelse hermed.Denne metode og de robotter, der anvendes her, kan anvendes med dynamisk voksende strukturer, hvor feedbacks bestemmer udviklingen af biohybridsystemet. Opretholdelse af sundheden for planter og opdage deres tilstedeværelse på skæringspunkter er udfordrende. Sørg for, at eksterne lyskilder ikke udløser fototropiske reaktioner i en fejltilstand.Visuel demonstration er nødvendig for at vise samarbejdet mellem planter og robotter over længere perioder for at dyrke brugerdefinerede vækstmønstre. Julian Ptezold, en grad studerende i vores forskningsgruppe, vil demonstrere eksperimentet procedure. Før du begynder et eksperiment, skal du vælge en planteart kendt for at vise en stærk positiv fototropisme mod ultraviolet A og blåt lys i den voksende tips.Vi valgte Phaseolus vulgaris eller almindelige bønner, fordi de vokser hurtigt og viser en stærk retningsbestemt vækst i retning af blåt lys. Skriv hver robot omkring en enkelt bord trådløs lokalområde netværk aktiveret computer og interface computeren til sensorer og aktuatorer via en brugerdefineret printplade. Medtag en infrarød nærhedssensor pr. retning, der testes for at nærme sig planter, herunder nok lysemitterende dioder til at levere kravene til blåt lys pr. retning, der testes for at nærme sig planter.Medtag hardware, der gør det muligt for lokale signaler mellem robotter og inkluderer en fotoresistenter for hver retning af den nærliggende robot til at overvåge deres lysudstråling status. Medtag hardware til at sprede varme som krævet af betingelserne for de valgte blå dioder og den udnyttede robot kabinet ved hjælp af en kombination af aluminium kølelegemer, ventilationskanaler i hver robot's sag kabinet og fans. Efter bekræftelse af, at robotkomponentens retninger er ensartet serviceret, skal du placere de blå dioder for at fordele en tilsvarende lysintensitet til hver af de retninger, hvorfra planterne kan nærme sig og orientere hver diode i robottilfælde, således at midteraksen i dens linsevinkel er inden for 60 grader af hver akse af den mekaniske støtte, den service.Placer de infrarøde nærhedssensorer, der er ækvivalente for deres respektive anvisninger inden for en centimeter fra fastgørelsespunktet mellem robotten og den mekaniske støtte, der serviceret, der orienterer hver sensor, således at dens betragtningsvinkel er parallel med støtteaksen. Dernæst anbringe en 125 af 180 centimeter ark gennemsigtig akryl til en 125 centimeter bred stand, der er i stand til at holde opsætningen i opretstående position. Integrer robotterne i et sæt modulære mekaniske understøtninger, der behørigt holder robotterne på plads og tjener som klatrestilladser for planterne for at begrænse planternes sandsynlige gennemsnitlige vækstforløb.På hver robot skal du medtage fastgørelsespunkter for at forankre de specifikke mekaniske understøtninger, herunder et fastgørelsespunkt for hver retning, som et anlæg kan nærme sig eller afgå en robot med. Placer potter med den rette jord på stativet mod akrylarket, og anbring to robotter på akrylarket, der indsætter enderne af de tidligere placerede støtter i stikkontakterne i robotkasserne. Gentag derefter mønsteret for at anbringe de resterende robotter og støtte i diagonalt gritted mønster, således at hver række af robotter er 35 centimeter over den foregående række, og at hver robot er vandret placeret direkte over robotten eller Y fælles, der er to rækker nedenunder.De mekaniske støtter skal arrangeres i et regelmæssigt gritted mønster, der er ensartet diagonal med en vinkel på hældning ved 45 grader eller stejlere med ensartede støtte længder på mindst 30 centimeter pr støtte. Den foretrukne udsatte længde bør være mindst 40 centimeter for at give nogle buffer for statistisk ekstreme tilfælde af plante udstationering. I robotsoftwaren skal du etablere en stimulustilstand, hvor robotten udsender blåt lys og en hvilende tilstand, hvor robotten enten ikke udsender lys eller udsender rødt lys.Placer den eksperimentelle opsætning under kontrollerede miljøforhold, og vedligehold plantefotosyntesen ved hjælp af lysdiodevækstlamper uden for robotterne og mod det eksperimentelle setup. Efter syr, give hver plante sin egen gryde i bunden af den eksperimentelle setup og regulere lufttemperatur og fugtighed niveauer, som det er relevant for de udvalgte arter ved hjælp af varmeapparater, klimaanlæg, befugtere, og af-befugtere befugtere efter behov og overvågning af disse niveauer ved hjælp af en temperaturtryk fugtighedssensor. For at teste anlæggets vækst i overværelse af flere efterfølgende stimuli betingelser, give robotterne med et globalt kort over det mønster, der skal dyrkes og løbende fange timelapsed videoer af eksperimenter ved hjælp af kameraer placeret på to eller flere udsigtspunkter med mindst ét kamera visning, der omfatter den fulde eksperimentelle setup.Sørg for, at de optagne billeder er af en høj nok opløsning til tilstrækkeligt fange bevægelser af planten voksende tips, som typisk kun er et par millimeter i bredden. Derefter observere anlægget vedhæftet fil begivenheder og mønster af vækst langs de mekaniske støtter over en passende eksperimentel vækstperiode. Under forhold, der mangler blåt lys, er positiv fototropisme ikke udløst, og planterne udviser ubiased opadgående vækst, som de følger gravitropisme.Planterne viste også typisk circumnutation. Som forventet under disse forhold, planterne undlader at finde den mekaniske støtte, der fører til de hvilende robotter og sammenbrud, når de ikke længere kan støtte deres egen vægt. Forsøget bør stoppes, når mindst to planter kollapser.I dette repræsentative enkeltbeslutningseksperiment styrede stimulusrobotterne med succes planterne mod den korrekte støtte. I dette repræsentative multibeslutningstagningseksperiment voksede planterne til et foruddefineret zigzagmønster ved hjælp af hvilende robotter og stimulusrobotter til at fornemme og stimulere plantevæksten, indtil det foruddefinerede zigzagmønster var fuldt udvokset. At studere denne form for biohybrid system baner vejen mod nye teknikker fra arkitektur, biologi og teknik til at udvikle levende adaptive strukturer og vokse bygning komponenter.

Research

JoVE Journal

Engineering

Terahertz Microfluidic Sensing Using a Parallel-plate Waveguide Sensor

Terahertz Mikrofluidenheder Sensing hjælp af en parallel-plade Waveguide Sensor

Refractive index (RI) sensing is a powerful noninvasive and label-free sensing technique for the identification, detection and monitoring of microfluidic ...

Synthesis and Operation of Fluorescent-core Microcavities for Refractometric Sensing

Syntese og drift af fluorescerende-core mikrokaviteter for refraktometriske Sensing

This paper discusses  fluorescent core microcavity-based sensors that can operate in a microfluidic  analysis setup. These structures are based on the ...

A Testing Platform for Durability Studies of Polymers and Fiber-reinforced Polymer Composites under Concurrent Hygrothermo-mechanical Stimuli

En Test Platform for holdbarhed Studier af Polymers og fiber-forstærket Polymer Composites under Concurrent Hygrothermo-mekaniske stimuli

The durability of polymers and fiber-reinforced polymer composites under service condition is a critical aspect to be addressed for their robust designs ...

Femtosecond Laser Filaments for Use in Sub-Diffraction-Limited Imaging and Remote Sensing

Femtosekund Laser filamenter til brug i Sub Diffraction Limited Imaging og Remote Sensing

Probing remote matter with laser light is a ubiquitous technique used in circumstances as diverse as laser-induced breakdown spectroscopy and barcode ...

Design and Implementation of a Bespoke Robotic Manipulator for Extra-corporeal Ultrasound

Design og implementering af en skræddersyet robot Manipulator for ekstra legemlige ultralyd

With the potential for high precision, dexterity, and repeatability, a self-tracked robotic system can be employed to assist the acquisition of real-time ...

A Silicon-tipped Fiber-optic Sensing Platform with High Resolution and Fast Response

En silicium-tippes fiberoptisk Sensing Platform med høj opløsning og en hurtig reaktionstid

In this article, we introduce an innovative and practically promising fiber-optic sensing platform (FOSP) that we proposed and demonstrated recently. This ...

Infrared Degenerate Four-wave Mixing with Upconversion Detection for Quantitative Gas Sensing

Infrarød degenererede fire-bølge blanding med Upconversion detektion for kvantitative Gas Sensing

We present a protocol for performing gas spectroscopy using infrared degenerated four-wave mixing (IR-DFWM), for the quantitative detection of gas species ...