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

Deze studie werd ondersteund door flora robotica project dat de financiering ontvangen van de Europese Unie Horizon 2020 onderzoek en innovatie-programma in het kader van de FET subsidieovereenkomst, No. 640959. De auteurs danken Getsopulos en Ewald Neufeld voor hun bijdrage aan de assemblage van hardware, en Tanja Katharina Kaiser voor haar bijdrage aan het monitoren van planten experimenten.

<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>

De auteurs verklaren dat zij geen concurrerende financiële belangen hebben.

De gepresenteerde methodologie toont de eerste stappen in de richting van het automatiseren van de stimuli-gedreven besturing van plantengroei, om specifieke patronen te genereren. Dit vereist continu onderhoud van de gezondheid van planten, terwijl het combineren in een enkel experiment Setup de verschillende rijken van biochemische groei reacties en engineered mechatronische functies-sensing, communicatie, en gecontroleerde generatie van stimuli. Aangezien onze nadruk hier op het beklimmen van installaties is, is de mechanische steun ook integraal. Een beperking van de huidige Setup is de schaal, maar we geloven dat onze methodologie gemakkelijk schalen. De mechanische steiger kan worden uitgebreid voor grotere opstellingen en dus langere perioden van groei, die ook mogelijk uitgebreide configuraties en patronen. Hier is de opstelling beperkt tot twee afmetingen en binaire links-juiste besluiten, aangezien de groei tot een net van mechanische steunen bij 45 ° neiging beperkt is, en de posities van de installatie besluit zijn beperkt tot de bifurcaties van dat net. Mechanische uitbreidingen kunnen bestaan uit 3D-steigers en verschillende materialen, zodat complexe vormen9,19. De methodologie kan worden beschouwd als een systeem om automatisch te groeien patronen gedefinieerd door een gebruiker. Door de uitbreiding van de mogelijke complexiteit van mechanische configuraties, gebruikers moeten worden geconfronteerd met enkele beperkingen op hun gewenste patronen. Voor een dergelijke toepassing, een User software tool moet bevestigen dat het patroon is producible, en de biobuis moet dan zelf organiseren van de productie van het patroon door het genereren van passende prikkels om de planten te sturen. De software moet ook worden uitgebreid met herstelplannen en beleid te bepalen hoe verder te gaan met de groei als de oorspronkelijke geplande patroon gedeeltelijk is mislukt-bijvoorbeeld als de eerste geactiveerde robot nooit heeft ontdekt een plant, maar de slapende degenen hebben gezien dat de positie van de groeiende tips zijn buiten de geactiveerde robot.
In de gepresenteerde methodologie, een voorbeeld plantensoorten die voldoen aan het protocol selectiecriteria is het klimmen gemeenschappelijke Boon, P. Vulgaris. Dit is de soort gebruikt in de representatieve resultaten. Als P. Vulgaris heeft een sterke positieve fototropisme UV-A en blauw licht, de phototropins (licht-receptor eiwitten) in de plant zal absorberen fotonen die overeenkomt met golflengten 340-500 nm. Wanneer de receptoren worden geactiveerd, eerste zwelling zal optreden in de stengel door de preferentiële verplaatsing van water naar de stengel weefsels tegen de geactiveerde receptoren, waardoor een omkeerbare directionele reactie. Dan, binnen de stengel, auxine (plant patroon hormoon) is gericht op dezelfde weefsel locatie, het bestendigen van de directionele respons en de vaststelling van stam weefsels als ze verstijven. Dit gedrag kan worden gebruikt voor het vormgeven van de planten in deze gecontroleerde indoor omstandigheden, als de planten zijn alleen blootgesteld aan geïsoleerde blauw licht en geïsoleerde rood licht, met een incident ver-rood licht van IR-proximity sensoren op laag genoeg niveau dat het niet interfereren met gedrag zoals de schaduw-vermijdende reactie20,21. De fototropisme reactie in de installatie antwoordt in de opstelling aan licht van blauwe dioden met piek emissie ƛmax = 465 nm, en fotosynthese22,23 in de installatie wordt gesteund door rode dioden met piek emissie ƛmax = 650 nm. P. Vulgaris het groeien tot verscheidene meters in hoogte is geschikt in de algemene opstelling, aangezien ruwweg 3 L van commerciële het tuinieren grond nodig per pot de opstellings schaal past.
Hoewel de huidige setup richt zich op licht als een aantrekkingskracht stimulus, extra prikkels kunnen relevant zijn voor andere experiment soorten. Als het gewenste patroon een scheiding tussen verschillende groepen installaties vereist (b.v., vergt het gewenste patroon twee groepen installaties om tegenovergestelde kanten te kiezen), dan kan het niet haalbaar zijn gebruikend slechts één type van stimulus. Voor dergelijke complexe groeipatronen onafhankelijk van steiger vorm, kunnen de verschillende groepen van planten mogelijk worden geteeld in verschillende perioden zodanig dat hun respectieve attractie prikkels niet interfereren, die ook zou toelaten de integratie van vertakkingen Gebeurtenissen. Nochtans, kan dit niet altijd een geschikte oplossing zijn, en de standaard aantrekkelijke lichte stimulus zou dan kunnen worden versterkt door invloeden zoals het in de schaduw stellen, of door andere stimuli zoals ver-rood licht of trilling motoren9,14te weren.
De gepresenteerde methode en het experiment ontwerp zijn slechts een eerste stap in de richting van een uitgekiende methodologie om automatisch de richtings groei van planten te beïnvloeden. Het experiment Setup is Basic door het bepalen van slechts een opeenvolging van binaire beslissingen in de planten en richten we ons op een, gemakkelijk te beheren stimulus. Aanvullende studies nodig zijn om de methode van de statistische significantie te bewijzen, om meer prikkels toe te voegen, en om andere processen te controleren, zoals vertakking. Met voldoende ontwikkeling om de lange termijn betrouwbaarheid van de robots te garanderen, kan de gepresenteerde methodologie zorgen voor automatisering van planten experimenten over lange perioden, waardoor de overhead in verband met de studie van de ontwikkeling van planten stadia voorbij dat van scheuten. Vergelijkbare methoden kunnen voor toekomstig onderzoek naar de onderonderzochte dynamiek tussen biologische organismen en autonome robots, wanneer de twee fungeren als strak gekoppeld zelforganiserende bio-hybride systemen.

Congruent met de toenemende prevalentie van automatisering in de productie en productie, robots worden gebruikt om te zaaien, te behandelen, en oogst planten1,2,3,4,5. We maken gebruik van robot technologie om plant experimenten te automatiseren in een niet-invasieve manier, met het doel van het sturen van de groei via gerichte reacties op stimuli. Traditionele tuinieren praktijken hebben onder meer de handmatige vormgeving van bomen en struiken door mechanische terughoudendheid en snijden. We presenteren een methodologie die bijvoorbeeld kan worden toegepast op deze vormende taak, door het sturen van groeipatronen met prikkels. Onze gepresenteerde methodologie is ook een stap in de richting van geautomatiseerde plant experimenten, hier met een specifieke focus op het verstrekken van lichte stimuli. Zodra de technologie robuust en betrouwbaar is geworden, heeft deze benadering potentieel om kosten in installatie experimenten te verminderen en nieuwe geautomatiseerde experimenten toe te staan die anders onhaalbaar wegens overhead in tijd en handarbeid zouden zijn. De robot elementen zijn vrij programmeerbaar en handelen autonoom als ze zijn uitgerust met sensoren, actuatoren voor stimuli bepaling, en microprocessors. Terwijl we hier focussen op de nabijheid sensing (dat wil zeggen, het meten van afstanden bij close-range) en lichte stimuli, vele andere opties haalbaar zijn. Bijvoorbeeld, sensoren kunnen worden gebruikt om plantaardige kleur te analyseren, om biochemische activiteit6, of voor phytosensing7 benaderingen monitor bijvoorbeeld milieu-omstandigheden door middel van plant elektrofysiologisch8. Op dezelfde manier zouden de actuator opties andere types van stimuli9, door trillings motoren, het bespuiten apparaten, verwarmers, ventilators, het in de schaduw stellen apparaten, of manipulators voor gericht fysiek contact kunnen verstrekken. Extra bedienings strategieën kunnen worden geïmplementeerd om langzame mobiliteit te bieden aan de robots (dat wil zeggen, ' Slow bots '10), zodanig dat ze geleidelijk kunnen de positie en de richting van waaruit zij stimuli te veranderen. Bovendien, als de robots zijn uitgerust met single-board computers, konden ze lopen meer geavanceerde processen zoals visioning voor plant fenotyping11 of kunstmatige neurale netwerk controllers voor stimuli bediening12. Als de plant Science Research focus is vaak op de vroege groei (dat wil zeggen, in scheuten)13, het hele domein van het gebruik van autonome Robotsystemen om planten te beïnvloeden over langere periodes lijkt onderonderzocht en kan bieden vele toekomstige mogelijkheden. Zelfs nog een stap verder, de robot elementen kunnen worden gezien als objecten van het onderzoek zelf, waardoor de studie van de complexe dynamiek van de bio-hybride systemen gevormd door robots en planten nauw interactie. De robots leggen selectief prikkels op de planten, de planten reageren volgens hun adaptief gedrag en veranderen hun groeipatroon, die vervolgens wordt gedetecteerd door de robots via hun sensoren. Onze aanpak sluit de gedrags feedback lus tussen de planten en de robots en creëert een homeostatische Control loop.
In onze experimenten om de functie van het robot systeem te testen, gebruiken we uitsluitend de klim gemeenschappelijke Boon, Phaseolus Vulgaris. In deze opstelling, gebruiken wij het beklimmen van installaties, met mechanische steunen in een gerasterde steiger van totale hoogte 180 cm, dusdanig dat de installaties door thigmotropism worden beïnvloed en een beperkte reeks van de groei richtingen hebben om te kiezen van. Gezien het dat we willen de hele plantvorm over een periode van weken, gebruiken we blauwe lichtprikkels om de plant fototropisme te beïnvloeden macroscopische, over verschillende groei periodes met inbegrip van jonge scheuten en later stam verstijving. Wij voeren de experimenten in volledig gecontroleerde omgevingslicht omstandigheden waar andere dan de blauwe lichtprikkels bieden wij uitsluitend rood licht, met een piek emissie bij golflengte 650 nm. Wanneer zij een bifurcatie in het mechanische steun rooster bereiken, maken zij een binaire beslissing of om links of juist te groeien. De robots zijn geplaatst op deze mechanische bifurcaties, gescheiden door afstanden van 40 cm. Ze zelfstandig activeren en deactiveren hun blauwe licht emittance, met piek emissie bij golflengte 465 nm, volgens een vooraf gedefinieerde kaart van de gewenste groeipatroon (in dit geval, een zigzag patroon). Op deze manier worden de planten geleid van bifurcatie naar bifurcatie in een gedefinieerde volgorde. Slechts een robot wordt geactiveerd op een gegeven moment-gedurende welke het uitzendt blauw licht, terwijl autonoom toezicht op de groei van de plant op de mechanische steun eronder. Zodra het detecteert een groeiende tip met behulp van de infrarood proximity sensoren, stopt het uitzenden van blauw licht en communiceert met de naburige robots via de radio. De robot die zichzelf bepaalt als de volgende doelgroep in de sequentie vervolgens activeert, het aantrekken van plantengroei in de richting van een nieuwe mechanische bifurcatie.
Aangezien onze benadering zowel gemanipuleerde als natuurlijke mechanismen omvat, omvatten onze experimenten verscheidene methodes die gelijktijdig en onderling afhankelijk werken. Het protocol hier wordt eerst georganiseerd volgens het type van methode, elk van die in een Verenigd experiment opstelling moet worden geïntegreerd. Deze types zijn selectie van plantensoorten; robot ontwerp inclusief hardware en mechanica; robot software voor communicatie en controle; en het toezicht op en het onderhoud van de plantengezondheid. Het protocol gaat vervolgens verder met het experiment ontwerp, gevolgd door het verzamelen en opnemen van gegevens. Voor volledige details van tot dusver verkregen resultaten, zie Wellekens et al.14. Representatieve resultaten hebben betrekking op drie soorten experimenten — controle experimenten waarbij alle robots geen prikkels bieden (dat wil zeggen, zijn sluimerend); single-decision experimenten waarbij de plant maakt een binaire keuze tussen een stimuli-het verstrekken van robot en een die sluimerend is; en meervoudige-besluit experimenten waarbij de plant een opeenvolging van binaire keuzes navigeert om een vooraf gedefinieerd patroon te kweken.

<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 systemen zijn actief onderzocht voor manipulatie van natuurlijke planten, meestal beperkt tot agrarische automatisering activiteiten zoals oogst, irrigatie, en mechanische onkruidbestrijding. Uitbreiding van dit onderzoek, introduceren we hier een nieuwe methodologie om de directionele groei van planten te manipuleren via hun natuurlijke mechanismen voor signalering en hormoon distributie. Een effectieve methodologie van de Robotica stimuli bepaling kan openstellen mogelijkheden voor nieuwe experimenten met latere ontwikkelingsfasen in planten, of voor nieuwe biotechnologie toepassingen zoals het vormgeven van planten voor groene muren. Interactie met planten presenteert verschillende robotica uitdagingen, met inbegrip van korte-afstand sensing van kleine en variabele planten organen, en de gecontroleerde bediening van de plant reacties die worden beïnvloed door het milieu in aanvulling op de verstrekte stimuli. Om de plantengroei te sturen, ontwikkelen we een groep van Onbeweeglijke robots met sensoren om de nabijheid van groeiende tips te detecteren, en met diodes om licht stimuli die bedienen fototropisme te bieden. De robots worden getest met de klim gemeenschappelijke Boon, Phaseolus Vulgaris, in experimenten met een looptijd tot vijf weken in een gecontroleerde omgeving. Met robots die opeenvolgend blauwe licht-piek emissie bij golflengte 465 nm uitstoten-de installatiegroei wordt met succes gestuurd door opeenvolgende binaire besluiten langs mechanische steunen om doel posities te bereiken. De groeipatronen worden getest in een opstelling tot 180 cm in hoogte, met plant stammen die tot ruwweg 250 cm in cumulatieve lengte over een periode van ongeveer zeven weken worden gekweekt. De robots coördineren zichzelf en opereren volledig autonoom. Ze detecteren naderende planten tips door infrarood proximity sensoren en communiceren via de radio om te schakelen tussen blauwe licht stimuli en sluimerende status, zoals vereist. Over het geheel genomen ondersteunen de verkregen resultaten de effectiviteit van het combineren van robot-en plant experiment methodologieën, voor het bestuderen van potentieel complexe interacties tussen natuurlijke en gemanipuleerde autonome systemen.

Controle: plant gedrag zonder robot prikkels. Wegens het gebrek aan blauw licht (d.w.z., zijn alle robots sluimerend), wordt het positieve fototropisme niet teweeggebracht in de installatie. Daarom, de planten tonen onbevooroordeelde opwaartse groei als ze volgen gravitropism. Zij tonen ook typische circumnutation (d.w.z., het winden), Zie figuur 4a. Zoals verwacht, de planten niet aan de mechanische ondersteuning leidt tot de slapende robots te vinden. De planten instorten als ze hun eigen gewicht niet meer kunnen ondersteunen. We stoppen de experimenten wanneer ten minste twee planten instorten, Zie figuur 4b, C.
Enige of veelvoudige besluiten: het gedrag van de installatie met robotachtige stimuli In vier Single-decision experimenten, twee runs hebben linksaf besturing (dat wil zeggen, de robot links van de bifurcatie is geactiveerd om stimulus), en twee runs hebben rightward besturing. De stimulus robots sturen de planten met succes naar de juiste ondersteuning, Zie Figuur 5. De dichtstbijzijnde plant met stam hoek het meest vergelijkbaar met die van de juiste ondersteuning hecht eerst. In elk experiment, minstens één installatie hecht aan de steun en klimt het tot het de stimulus robot bereikt en daardoor het experiment beëindigt. In een experiment, een tweede plant hecht aan de juiste ondersteuning. De resterende installaties zouden eveneens in langere experimentduur kunnen vastmaken. Geen van de planten hecht aan de verkeerde ondersteuning. Elk experiment loopt continu gedurende 13 dagen gemiddeld.
In twee Meervoudige-besluit experimenten, de planten groeien in een vooraf gedefinieerde zigzag patroon, Zie Figuur 6a. Elk experiment loopt ongeveer zeven weken. Als een experiment begint, een robot zet zijn status om stimulus (zie 3.6.3) en stuurt de planten naar de juiste ondersteuning volgens de voorgeschreven patroon. Een plant hecht en klimt het, aankomen op de geactiveerde stimulus robot dus de voltooiing van de eerste beslissing. Volgens 3.7.3, de huidige stimulus robot wordt dan slapende en waarschuwt de aangrenzende buren. De slapende buurman die de volgende is op de zigzag patroon schakelt zichzelf aan stimulus (zie 3.7.6). Als een plant wordt gedetecteerd door een slapende robot, die robot reageert niet (zie 3.7.2). De installaties blijven en voltooien de resterende drie besluiten met succes. Het vooraf gedefinieerde zigzag patroon is dus volledig gekweekt, Zie Figuur 6b.
Alle experimentgegevens, maar ook Video's, zijn online beschikbaar24.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59835/59835fig1.jpg"> Figuur 1. De onbeweeglijke robot en zijn primaire componenten. Figuur herdruk van auteurs publicatie Wellekens et al.14, gebruikt met Creative Commons licentie CC-by 4,0 (Zie aanvullende bestanden), met wijzigingen zoals toegestaan door licentie. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59835/59835fig1large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59835/59835fig2.jpg"> Figuur 2. Het component diagram van de immobiele robot Elektronika. IRLML2060 LED drivers zijn aangesloten met de robot single-board computer (bijv. framboos PI) via PWM om de helderheid van de led's te controleren. Een LP5907 switch is gekoppeld aan de single-board computer via de voor algemene doeleinden input/output (GPIO) header PIN, om de ventilator te controleren. Een MCP3008 analoog-naar-digitaal converter (ADC) is gekoppeld aan de single-board computer via seriële perifere interface (SPI) om de analoge IR en licht-afhankelijke weerstand (LDR) sensor gegevens te lezen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59835/59835fig2large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59835/59835fig3.jpg"> Figuur 3. Kort na ' 03.04.16 ' beklimt een plant Tip een steun en komt in het gezichtsveld van de robot terecht. (A) monster IR-proximity sensor geschaald voltage metingen (verticale as) tijdens een experiment. Hogere waarden duiden op installatie Tip detectie. (B) de IR-proximity sensor is geplaatst en georiënteerd op basis van de steun bevestiging, om te zorgen voor een effectieve installatie Tip detectie. Figuur herdruk van auteurs publicatie Wellekens et al.14, gebruikt met Creative Commons licentie CC-by 4,0 (Zie aanvullende bestanden), met wijzigingen zoals toegestaan door licentie. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59835/59835fig3large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59835/59835fig4.jpg"> Figuur 4. Controle experimenten resultaat frames waaruit blijkt dat alle vier de planten niet hechten aan enige steun in de afwezigheid van blauw licht. Ana vijf dagen worden alle planten naar boven gegroeid in een van de controle experimenten (Ziecvoor latere groei conditie). (B) na 15 dagen, drie planten ingestort, en een nog steeds naar boven in de eerste controle experiment. (C) na zeven dagen, twee planten ingestort, en twee nog steeds naar boven in de tweede controle -experiment (zie (a) voor de vorige groei toestand). Figuur herdruk van auteurs publicatie Wellekens et al.14, gebruikt met Creative Commons licentie CC-by 4,0 (Zie aanvullende bestanden), met wijzigingen zoals toegestaan door licentie. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59835/59835fig4large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59835/59835fig5.jpg"> Figuur 5. Single-besluit experimenten resultaat frames waaruit het vermogen van een stimulus robot om de planten te sturen door middel van een binaire beslissing, om de juiste ondersteuning te beklimmen. In alle vier de experimenten, is een robot ingesteld op stimulus en de andere tot slapende-aan twee tegenovergestelde zijden van een kruising. De frames tonen de planten ' locatie vlak voor de stimulus robot detecteert ze. In elk experiment maakt minstens één installatie aan de correcte steun vast, en geen installatie hecht aan onjuiste. Ook de niet-ondersteunde planten tonen de groei bevooroordeeld naar de stimulus robot. E, F, G, H zijn close-ups van A, B, C, D respectievelijk. Figuur herdruk van auteurs publicatie Wellekens et al.14, gebruikt met Creative Commons licentie CC-by 4,0 (Zie aanvullende bestanden), met wijzigingen zoals toegestaan door licentie. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59835/59835fig5large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59835/59835fig6v2.jpg"> Figuur 6. Experiment met meerdere beslissingen . (A) de gerichte zigzag patroon is gemarkeerd in het groen op de kaart. (B) het laatste frame van het experiment (na 40 dagen), waarin de planten ' situatie voor de laatste stimulus robot op het patroon detecteert ze. De robots groeien met succes de zigzag patroon. Figuur herdruk van auteurs publicatie Wellekens et al.14, gebruikt met Creative Commons licentie CC-by 4,0 (Zie aanvullende bestanden), met wijzigingen zoals toegestaan door licentie. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59835/59835fig6large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.</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

Distributed robot nodes bieden sequenties van blauw lichtprikkels om de groei trajecten van klimplanten te sturen. Door het activeren van natuurlijke fototropisme, de robots begeleiden de planten door middel van binaire links-rechts beslissingen, groeien ze in vooraf gedefinieerde patronen die daarentegen niet mogelijk zijn wanneer de robots slapend zijn.

Robotic sensing en stimuli voorziening voor geleide plantengroei

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

Het sturen van de directionele groei van planten met een autonoom systeem is een nieuw en origineel concept dat niet eerder werd gemeld. De sleutel hier voor ons is om uit te vinden wat er eigenlijk haalbaar is. Onze techniek is de eerste geautomatiseerde methode om planten te laten groeien tot gewenste vormen en vormen met behulp van robotknooppunten om planten te detecteren met hun sensoren en om de stimuli dienovereenkomstig te schakelen.Deze methode en de robots die hier worden gebruikt, kunnen worden gebruikt met dynamisch groeiende structuren waar feedbacks de ontwikkeling van het biohybridesysteem bepalen. Het handhaven van de gezondheid van planten en het detecteren van hun aanwezigheid op kruispunten is een uitdaging. Zorg ervoor dat externe lichtbronnen geen fototropische reacties activeren in een foutstatus.Visuele demonstratie is noodzakelijk om de samenwerking tussen planten en robots over langere perioden te laten zien om door de gebruiker gedefinieerde groeipatronen te laten groeien. Julian Ptezold, student in onze onderzoeksgroep, zal de experimentprocedure demonstreren. Voordat u een experiment begint, selecteert u een plantensoort waarvan bekend is dat ze een sterk positief fototropisme weergeven in de richting van ultraviolet A en blauw licht in de groeiende uiteinden.We kozen voor Phaseolus vulgaris of gewone bonen omdat ze snel groeien en een sterke directionele groei laten zien naar blauw licht. Stel elke robot samen rond een draadloze lokale netwerkcomputer met een enkel bord en interface de computer met sensoren en actuatoren via een aangepaste printplaat. Neem één infrarood nabijheidssensor per richting op die wordt getest op naderende planten, inclusief voldoende lichtgevende diodes om de vereisten voor blauw licht per richting te leveren die worden getest voor naderende planten.Neem hardware op waarmee lokale signalen tussen robots kunnen worden gemaakt en voeg een fotoresistor toe voor elke richting van de naburige robot om hun lichtuitzendingsstatus te controleren. Inclusief hardware om warmte te verdrijven zoals vereist door de omstandigheden van de geselecteerde blauwe diodes en de gebruikte robot behuizing met behulp van een combinatie van aluminium koellichamen, ventilatieopeningen in de behuizing van elke robot behuizing en fans. Nadat u heeft bevestigd dat de aanwijzingen van de robotcomponent gelijkmatig zijn onderhouden, plaatst u de blauwe diodes om een gelijkwaardige lichtintensiteit te verdelen over elk van de richtingen waaruit de planten elke diode in het robotgeval kunnen benaderen en oriënteren, zodat de middelste as van de lenshoek zich binnen 60 graden van elke as van de mechanische ondersteuning bevindt die het verleent.Plaats de infrarood nabijheidssensoren gelijkwaardig voor hun respectieve naderende groeirichtingen binnen één centimeter van het bevestigingspunt tussen de robot en de mechanische ondersteuning die wordt onderhouden en elke sensor zodanig oriënteert dat de kijkhoek parallel is aan de steunas. Breng vervolgens een vel van 125 bij 180 centimeter transparant acryl aan op een 125 centimeter brede standaard die de setup rechtop kan houden. Integreer de robots in een set modulaire mechanische steunen die de robots dubbel in positie houden en dienen als klimsteigers voor de planten om de waarschijnlijke gemiddelde groeitrajecten van de planten te beperken.Op elke robot, omvatten bevestigingspunten om de specifieke mechanische steunen met inbegrip van één bevestigingspunt voor elke richting te verankeren waardoor een installatie een robot kan naderen of verlaten. Plaats potten met de juiste grond op de standaard tegen de acrylplaat en breng twee robots aan op de acrylplaat die de uiteinden van de eerder geplaatste steunen in de contactdozen in de robothoes plaatst. Herhaal vervolgens het patroon om de resterende robots aan te brengen en ondersteuning in het diagonaal gritted patroon zodanig dat elke rij robots is 35 centimeter boven de vorige rij en dat elke robot horizontaal is geplaatst direct boven de robot of Y gezamenlijke dat is twee rijen onder.De mechanische steunen moeten worden gerangschikt in een regelmatig begeerde patroon dat gelijkmatig diagonaal is met een hellingshoek bij 45 graden of steiler met uniforme steunlengtes van minimaal 30 centimeter per ondersteuning. De gewenste blootgestelde lengte moet ten minste 40 centimeter zijn om een buffer mogelijk te maken voor statistisch extreme gevallen van onthechting van planten. Stel in de robotsoftware een stimulustoestand vast waarin de robot blauw licht uitzendt en een slapende toestand waarin de robot geen licht uitzendt of rood licht uitzendt.Plaats de experimentele opstelling onder gecontroleerde omgevingsomstandigheden en onderhoud de fotosynthese van de installatie met behulp van lichtgevende diodegroeilampen buiten de robots en tegenover de experimentele opstelling. Na het ontkiemen, geef elke plant zijn eigen pot aan de basis van de experimentele setup en regelen de luchttemperatuur en vochtigheidsniveaus, indien van toepassing voor de geselecteerde soorten met behulp van kachels, airconditioners, luchtbevochtigers, en debevochtigers indien nodig en het toezicht op deze niveaus met behulp van een temperatuurdruk vochtigheid sensor. Om de groei van planten te testen in aanwezigheid van meerdere volgende stimuli voorwaarden, bieden de robots met een globale kaart van het patroon te groeien en voortdurend vast te leggen timelapsed video's van de experimenten met behulp van camera's gepositioneerd op twee of meer uitkijkpunten met ten minste een camera weergave omvat de volledige experimentele setup.Zorg ervoor dat de vastgelegde beelden zijn van een hoog genoeg resolutie om voldoende vast te leggen de bewegingen van de plant groeiende tips die meestal slechts een paar millimeter in de breedte. Bekijk vervolgens de plant bevestiging gebeurtenissen en het patroon van de groei langs de mechanische ondersteunt over een geschikte experimentele groeiperiode. Onder omstandigheden die geen blauw licht hebben, wordt positief fototropisme niet geactiveerd en vertonen de planten onbevooroordeelde opwaartse groei als ze gravitropisme volgen.De planten ook weergegeven typisch besnijdenis. Zoals verwacht onder deze omstandigheden, de planten niet aan de mechanische ondersteuning die leidt tot de slapende robots te vinden en instorten wanneer ze niet langer kunnen ondersteunen hun eigen gewicht. Het experiment moet worden gestopt wanneer ten minste twee planten instorten.In dit representatieve single-decision experiment stuurden de stimulusrobots de planten met succes naar de juiste ondersteuning. In dit representatieve experiment met meerdere beslissingen groeiden de planten uit tot een vooraf gedefinieerd zigzagpatroon met slaap- en stimulusrobots om respectievelijk de plantengroei te voelen en te stimuleren totdat het vooraf gedefinieerde zigzagpatroon volgroeid was. Het bestuderen van dit soort biohybride systeem effent de weg naar opkomende technieken uit architectuur, biologie en techniek om levende adaptieve structuren te ontwikkelen en te groeien gebouw componenten.

Research

JoVE Journal

Engineering

Terahertz Microfluidic Sensing Using a Parallel-plate Waveguide Sensor

Terahertz Microfluïdische Sensing via een parallelle-plaat 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

Synthese en Werking van TL-core microcavities voor Refractometermethode 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

Een Testen Platform Duurzaamheid Studies van Polymeren en vezelversterkte Polymer Composites onder Concurrent Hygrothermo-mechanische 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

Femtoseconde Laser filamenten voor gebruik in Sub-Diffraction-Limited Imaging en 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

Ontwerp en implementatie van een op maat gemaakte Robot Manipulator voor extra lichamelijke echografie

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

Een silicium-tipped Fiber-optic Sensing Platform met hoge resolutie en snelle respons

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

Infrarood gedegenereerde vier-Golf mengen met Upconversion detectie voor kwantitatieve Gas detectie

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