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

Это исследование было поддержано проектом flora robotica, который получил финансирование от научно-исследовательской и инновационной программы Европейского союза Horizon 2020 в рамках грантового соглашения FET, No 640959. Авторы благодарят Анастасиоса Гетсопулоса и Эвальда Нойфельда за их вклад в сборку оборудования, и Таню Катарину Кайзер за ее вклад в мониторинг экспериментов на заводе.

<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>

Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих финансовых интересов.

Представленная методология показывает первые шаги к автоматизации стимулов управляемого рулевого управления роста растений, для создания конкретных моделей. Это требует постоянного поддержания здоровья растений, сочетая в одном эксперименте установку различных сфер биохимических реакций роста и инженерии мехатронных функций зондирования, связи и контролируемого поколения стимулов. Поскольку наше внимание здесь сосредоточено на альпинистских растениях, механическая поддержка также является неотъемлемой частью. Ограничениетекущей текущей установки является ее масштабом, но мы считаем, что наша методология легко масштабируется. Механические эшафот может быть расширен для больших установк и, следовательно, более длительные периоды роста, что также позволяет расширенные конфигурации и узоры. Здесь установка ограничена двумя измерениями и бинарными лево-правыми решениями, так как рост ограничен сеткой механических опор на 45 градусов, а позиции растительных решений ограничиваются бифуркациями этой сетки. Механические расширения могут включать 3D леса и различные материалы, чтобы обеспечить сложные формы9,19. Методологию можно считать системой для автоматического роста шаблонов, определенных пользователем. Расширяя возможную сложность механических конфигураций, пользователи должны столкнуться с некоторыми ограничениями на желаемые шаблоны. Для такого приложения, пользовательский программный инструмент должен подтвердить, что шаблон является выражаемым, и мехатроника должна затем самоорганизовать производство шаблона, генерируя соответствующие стимулы для управления растениями. Программное обеспечение также должно быть расширено, чтобы включить планы восстановления и политики, определяющие, как продолжить рост, если первоначальная запланированная схема частично не удалось, например, если первый активированный робот никогда не обнаружил завод, но спящие из них имеют видел, что положение растущих советы находятся за пределами активированного робота.
В представленной методологии примером видов растений, отвечающих критериям отбора протокола, является альпинистская фана P. vulgaris. Это вид, используемый в репрезентативных результатах. Поскольку P. vulgaris обладает сильным положительным фототропизмом для УФ-А и синего света, фототропины (светоприемные белки) в растении будут поглощать фотоны, соответствующие длинам волн 340-500 нм. Когда рецепторы срабатывают, первый отек будет происходить в стебле преференциальным перемещением воды в стволовые ткани, противостоящие срабатыванию рецепторов, вызывая обратимый направленный ответ. Затем, в пределах стебля, auxin (гормон узора растений) направляется в то же место ткани, увековечивая направленную реакцию и фиксации стволовых тканей, как они застыть. Такое поведение может быть использовано для формирования растений в этих контролируемых условиях в помещении, так как растения подвергаются воздействию только изолированных синий свет и изолированный красный свет, с инцидентом далеко-красный свет от Датчиков ИК-близости на достаточно низких уровнях, что он не мешает с такими поведениями, как ответ на избегание тени20,21. Реакция фототропизма на заводе реагирует в установке на свет от синих диодов с пиковым излучением 465 нм, а фотосинтез22,23 на заводе поддерживается красными диодами с пиковым излучением и максимумом 650 нм. P. vulgaris растет до нескольких метров в высоту подходит в общей установке, как примерно 3 L коммерческого садоводства почвы, необходимых в горшок соответствует установке масштаба.
Хотя текущая установка фокусируется на свете в качестве стимула притяжения, дополнительные стимулы могут быть актуальны для других типов экспериментов. Если желаемая модель требует разделения между различными группами растений (например, желаемая модель нуждается в двух группах растений, чтобы выбрать противоположные стороны), то это не может быть осуществимо, используя только один тип стимула. Для таких сложных моделей роста, независимо от формы эшафота, различные группы растений потенциально могут быть выращены в разные периоды времени, так что их соответствующие стимулы притяжения не мешают, что также позволит интеграции ветвления События. Тем не менее, это не всегда может быть подходящим решением, и стандартный привлекательный свет стимул может быть дополнен ажиотажных влияний, таких как затенение, или другими стимулами, как фар-красный свет или вибрации двигателей9,14.
Представленный метод и дизайн эксперимента являются лишь первым первым шагом на пути к сложной методологии автоматического влияния направленного роста растений. Эксперимент установки является основным, определяя только последовательность бинарных решений в растениях, и мы сосредоточены на одном, легко управлять стимулом. Потребуются дополнительные исследования, чтобы доказать статистическую значимость метода, добавить больше стимулов и контролировать другие процессы, такие как ветвление. При достаточном развитии, чтобы гарантировать долгосрочную надежность роботов, представленная методология может позволить автоматизацию экспериментов завода в течение длительных периодов времени, уменьшая накладные расходы, связанные с изучением стадий разработки растений за пределами, что побеги. Аналогичные методы могут позволить в будущем проводить исследования недостаточно изученной динамики между биологическими организмами и автономными роботами, когда они действуют как тесно связанные с ними био-гибридные системы.

В соответствии с растущей распространенностью автоматизации в производстве и производстве, роботы используются для посевания, лечения и сбора растений1,2,3,4,5. Мы используем роботизированную технологию для автоматизации экспериментов на растениях неинвазивным способом, с целью рулевого роста с помощью направленных реакций на раздражители. Традиционные методы садоводства включали ручное формирование деревьев и кустарников с помощью механического удерживания и рубки. Мы представляем методологию, которая может быть применена, например, к этой формирующей задаче, управляя шаблонами роста с помощью стимулов. Наша представленная методология также является шагом к автоматизированным экспериментам на заводе, здесь с особым акцентом на предоставление световых стимулов. После того, как технология стала надежной и надежной, этот подход имеет потенциал для сокращения расходов на завод эксперименты и для новых автоматизированных экспериментов, которые в противном случае было бы неосуществимым из-за накладных расходов во времени и ручного труда. Роботизированные элементы свободно программируемы и действуют автономно, так как оснащены датчиками, приводами для обеспечения стимулов и микропроцессорами. В то время как мы фокусируемся здесь на зондировании близости (т.е. измерении расстояний с близкого расстояния) и световых стимулах, многие другие варианты осуществимы. Например, датчики могут быть использованы для анализа цвета растений, для мониторинга биохимической активности6, или для фитосенсирования7 подходов для мониторинга, например, состояния окружающей среды с помощью электрофизиологии растений8. Аналогичным образом, варианты актуатора могут предоставлять другие типы стимулов9, через вибрационные двигатели, опрыскивание устройств, обогревателей, вентиляторов, затененных устройств или манипуляторов для направленного физического контакта. Дополнительные стратегии активации могут быть реализованы, чтобы обеспечить медленную мобильность роботов (т.е. "медленных ботов"10),таким образом, что они могли бы постепенно менять положение и направление, с которого они обеспечивают стимулы. Кроме того, поскольку роботы оснащены однобортными компьютерами, они могут запускать более сложные процессы, такие как видение фенотипирования растений11 или искусственных нейронных контроллеров сети для активации стимулов12. Поскольку научно-исследовательская работа растений часто сосредоточена на раннем росте (т.е. в побегах)13, вся область использования автономных роботизированных систем для влияния на растения в течение более длительных периодов кажется недостаточно изученной и может предложить много будущих возможностей. Идя еще дальше, роботизированные элементы можно рассматривать как сами объекты исследований, что позволяет изучать сложную динамику биогибридных систем, образованных роботами и растениями, тесно взаимодействующими. Роботы избирательно навязывают растения стимулы, растения реагируют в соответствии с их адаптивным поведением и меняют структуру роста, которая впоследствии обнаруживается роботами с помощью датчиков. Наш подход закрывает цикл поведенческой обратной связи между растениями и роботами и создает гомеостатический цикл управления.
В наших экспериментах, чтобы проверить функцию робота системы, мы исключительно использовать восхождение общей фасоли, Phaseolus vulgaris. В этой установке, мы используем альпинистские растения, с механическими опорами в сетчатой эшафот общей высоты 180 см, так что растения находятся под влиянием тигмотропизма и имеют ограниченный набор направлений роста на выбор. Учитывая, что мы хотим, чтобы сформировать все растение в течение нескольких недель, мы используем голубой свет стимулы влиять на фототропизм растения макроскопически, в течение различных периодов роста, включая молодые побеги, а затем стволовых ужесточения. Мы проводим эксперименты в полностью контролируемых условиях окружающего света, где, кроме синих световых стимулов, мы обеспечиваем исключительно красный свет, с пиковым излучением на длине волны 650 нм. Когда они достигают бифуркации в механической сетке поддержки, они принимают двоичное решение, расти ли влево или вправо. Роботы расположены на этих механических бифуркиционях, разделенных расстояниями 40 см. Они автономно активируют и деактивируют свои выбросы синего света, с пиковым излучением на длине волны 465 нм, согласно заданной карте желаемой модели роста (в данном случае зигзагообразной картины). Таким образом, растения руководствуются от бифуркации к бифуркации в определенной последовательности. Только один робот активируется в данный момент времени, в течение которого он излучает синий свет, автономно отслеживая рост растений на механической поддержке под ним. Как только он обнаруживает растущий кончик с помощью инфракрасных датчиков близости, он перестает излучать синий свет и общается с соседними роботами по радио. Робот, который определяет себя как следующая цель в последовательности, затем затем активируется, привлекая рост растений к новой механической бифуркации.
Поскольку наш подход включает в себя как инженерные, так и природные механизмы, наши эксперименты включают в себя несколько методов, которые работают одновременно и взаимозависимо. Протокол здесь сначала организован по типу метода, каждый из которых должен быть интегрирован в единую экспериментальную установку. Эти типы выбор видов растений; дизайн робота, включая аппаратное обеспечение и механику; робот программное обеспечение для связи и управления; и мониторинг и поддержание здоровья растений. Затем протокол переходит к разработке эксперимента, за которым следует сбор и запись данных. Для получения подробной информации о результатах, полученных до сих пор, см. Wahby et al.14. Репрезентативные результаты охватывают три типа экспериментов- контрольные эксперименты, где все роботы не обеспечивают стимулы (т.е. находятся в состоянии покоя); однорешение экспериментов, где завод делает двоичный выбор между одним стимулом предоставления робота и тот, который находится в состоянии покоя; и эксперименты с несколькими решениями, в которых растение перемещается по последовательности бинарных вариантов для роста предопределенного шаблона.

<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

Робот системы активно исследуются для манипуляции природных растений, как правило, ограничивается сельскохозяйственной автоматизации деятельности, такие как урожай, орошение и механический контроль сорняков. Расширяя это исследование, мы вводим здесь новую методологию для манипулирования направленным ростом растений с помощью их естественных механизмов сигнализации и распределения гормонов. Эффективная методология обеспечения роботизированных стимулов может открыть возможности для новых экспериментов с более поздними этапами развития растений или для новых биотехнологических применений, таких как формирование растений для зеленых стен. Взаимодействие с растениями создает несколько роботизированных задач, включая зондирование малых и переменных органов растений на короткой дистанции, а также контролируемое активацию реакций растений, которые влияют на окружающую среду в дополнение к предоставленным стимулам. Для того, чтобы направить рост растений, мы разрабатываем группу неподвижных роботов с датчиками, чтобы обнаружить близость растущих советов, и с диодами, чтобы обеспечить световые стимулы, которые активируют фототропизм. Роботы тестируются с восхождением общей фасоли, Phaseolus vulgaris, в экспериментах, имеющих продолжительность до пяти недель в контролируемой среде. С роботами последовательно излучающих синий светло-пикового выброса на длине волны 465 нм-завод роста успешно управляется через последовательные двоичные решения вдоль механических опор для достижения целевых позиций. Модели роста тестируются в установке высотой до 180 см, при этом стебли растений выращены примерно до 250 см в кумулятивной длине в течение примерно семи недель. Роботы координируют свои действия и работают полностью автономно. Они обнаруживают приближающиеся советы завода с помощью инфракрасных датчиков близости и общаются по радио, чтобы переключаться между раздражителями синего света и спящим статусом, по мере необходимости. В целом полученные результаты поддерживают эффективность сочетания методологий экспериментов роботов и растений для изучения потенциально сложных взаимодействий между природными и инженерными автономными системами.

Управление: Поведение растений без роботизированных стимулов. Из-за отсутствия синего света (т.е. все роботы находятся в состоянии покоя),положительный фототропизм не срабатывает на заводе. Таким образом, растения показывают объективный рост вверх, как они следуют гравитропизм. Они также отображают типичное кужение (т.е. обмотки), см. Рисунок 4A. Как и ожидалось, заводы не могут найти механическую поддержку, ведущую к спящим роботам. Растения разрушаются, когда они больше не могут поддерживать свой собственный вес. Мы останавливаем эксперименты, когда по крайней мере два растения краха, см. Рисунок 4B, C.
Одноместные или множественные решения: Поведение завода с роботизированными стимулами В четырех экспериментах с одним решением, два запуска имеют левое рулевое управление (т.е. робот слева от бифуркации активируется для стимулирования), и два запуска имеют правое рулевое управление. Стимул роботы успешно направить растения к правильной поддержке, см. Рисунок 5. Ближайшее растение со стеблем угол наиболее похож на правильный опоры придает в первую очередь. В каждом эксперименте, по крайней мере одно растение прикрепляется к опоре и поднимается на нее, пока не достигнет робота стимула и тем самым завершит эксперимент. В одном эксперименте, второе растение прикрепляется к правильной опоре. Остальные заводы могут прикрепить также в более длинних продолжительностях эксперимента. Ни один из растений не придает неправильной поддержки. Каждый эксперимент длится в среднем 13 дней.
В двух многоразовых экспериментах растения вырастают в предопределенный зигзагообразный узор, см. Рисунок 6А. Каждый эксперимент длится около семи недель. В начале эксперимента робот устанавливает свой статус стимулом (см. 3.6.3) и направляет растения к правильной поддержке в соответствии с оговоренным шаблоном. Завод прикрепляет и поднимает его, прибывая на активированный робот стимула поэтому завершает первое решение. Согласно 3.7.3, текущий робот стимула затем становится спящим и уведомляет своих соседей. Спящий сосед, следующий по зигзагообразной схеме, переключается на стимул (см. 3.7.6). Если растение обнаружено спящим роботом, этот робот не реагирует (см. 3.7.2). Заводы продолжают и завершают остальные 3 решения успешно. Таким образом, предопределенный зигзагообразный рисунок полностью выращен, см. Рисунок 6B.
Все данные эксперимента, а также видео доступны в Интернете24.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59835/59835fig1.jpg"> Рисунок 1. Неподвижный робот и его основные компоненты. Рисунок, перепечатанный из авторского издания Wahby et al.14, используется с лицензией Creative Commons CC-BY 4.0 (см. дополнительные файлы), с изменениями, разрешенными лицензией. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59835/59835fig1large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59835/59835fig2.jpg"> Рисунок 2. Диаграмма компонента неподвижной роботизированной электроники. Светодиодные драйверы IRLML2060 взаимодействуют с однобортным компьютером робота (например, Raspberry Pi) с помощью PWM для управления яркостью светодиодов. Переключатель LP5907 взаимодействует с однобортным компьютером через общий входный/выходный (GPIO) заголовок для управления вентилятором. Аналог MCP3008 аналог цифрового преобразователя (ADC) взаимодействует с однобортным компьютером через серийный периферийный интерфейс (SPI) для чтения аналоговых данных датчика ИК и светозависимого резистора (LDR). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59835/59835fig2large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59835/59835fig3.jpg"> Рисунок 3. Вскоре после '03.04.16,' наконечник завода поднимается опоры и прибывает в поле зрения робота. (A) Образец ИК-датчик близости масштабируется показания напряжения (вертикальная ось) во время эксперимента. Более высокие значения указывают на обнаружение кончиков растений. (B) Датчик ИК-близости находится и ориентирован в соответствии с креплением поддержки, чтобы обеспечить эффективное обнаружение кончиков растений. Рисунок, перепечатанный из авторского издания Wahby et al.14, используется с лицензией Creative Commons CC-BY 4.0 (см. дополнительные файлы), с изменениями, разрешенными лицензией. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59835/59835fig3large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59835/59835fig4.jpg"> Рисунок 4. В результате контрольных экспериментов были показаны кадры, показывающие, что все четыре растения не прикреплялись ни к какой опоре при отсутствии синего света. (A) После пяти дней, все растения растут вверх в одном из контрольных экспериментов (см. (C) для более позднего состояния роста). (B) После 15 дней, три растения рухнули, и один по-прежнему растет вверх в первом эксперименте контроля. (C) После семи дней, два растения рухнули, и два по-прежнему растет вверх во втором эксперименте контроля (см. (A) для предыдущего состояния роста). Рисунок, перепечатанный из авторского издания Wahby et al.14, используется с лицензией Creative Commons CC-BY 4.0 (см. дополнительные файлы), с изменениями, разрешенными лицензией. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59835/59835fig4large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59835/59835fig5.jpg"> Рисунок 5. Однорешение экспериментов результат кадры, показывающие способность стимул робота направить растения через двоичное решение, чтобы подняться на правильную поддержку. Во всех четырех экспериментах, один робот установлен на стимул, а другой в спящийрежим - на двух противоположных сторонах перекрестка. На кадрах видно расположение растений прямо перед тем, как робот-стимул обнаруживает их. В каждом эксперименте хотя бы одно растение прикрепляется к правильной опоре, и ни одно растение не прикрепляется к неправильному. Кроме того, неподдерживаемые растения показывают рост предвзятого к стимулом робота. E, F,G, H являются крупными планомaups A, B, C, D соответственно. Рисунок, перепечатанный из авторского издания Wahby et al.14, используется с лицензией Creative Commons CC-BY 4.0 (см. дополнительные файлы), с изменениями, разрешенными лицензией. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59835/59835fig5large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59835/59835fig6v2.jpg"> Рисунок 6. Эксперимент с несколькими решениями. (A) Целевой зигзагообразный рисунок выделен зеленым цветом на карте. (B) Последний кадр из эксперимента (после 40 дней), показывая положение растений до последнего робота стимул на шаблон обнаруживает их. Роботы успешно выращивают зигзагообразный узор. Рисунок, перепечатанный из авторского издания Wahby et al.14, используется с лицензией Creative Commons CC-BY 4.0 (см. дополнительные файлы), с изменениями, разрешенными лицензией. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59835/59835fig6large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</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

Распределенные узлы робота обеспечивают последовательности стимулов синего света, чтобы направить траектории роста альпинистских растений. Активируя естественный фототропизм, роботы направляют растения через двоичные лево-правые решения, превращая их в предопределенные закономерности, которые, напротив, невозможны, когда роботы дремлют.

Роботизированное зондирование и стимулы Положение для управляемого роста завода

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

Управление направленного роста растений с автономной системой является новой и оригинальной концепции, которая не сообщалось ранее. Ключевым моментом для нас является выяснить, что на самом деле возможно. Наша методика является первым автоматизированным методом выращивания растений в желаемые формы и формы с использованием роботизированных узлов для обнаружения растений с их датчиками и для переключения стимулов соответственно.Этот метод и роботы, используемые здесь, могут быть использованы с динамически растущими структурами, где обратная связь определяет развитие биогибридной системы. Поддержание здоровья растений и обнаружение их присутствия на перекрестках является сложной задачей. Убедитесь, что внешние источники света не вызывают фототропные реакции в состоянии сбоя.Визуальная демонстрация необходима, чтобы показать сотрудничество между растениями и роботами в течение длительных периодов времени для роста пользовательских моделей роста. Джулиан Птезольд, аспирант нашей исследовательской группы, продемонстрирует процедуру эксперимента. Перед началом эксперимента выберите вид растений, который, как известно, демонстрирует сильный положительный фототропизм по отношению к ультрафиолетовому А и синему свету в растущих советах.Мы выбрали Phaseolus vulgaris или общие бобы, потому что они растут быстро и показывают сильный направленный рост к синему свету. Составьте каждого робота вокруг одной доски беспроводной локальной сети с поддержкой компьютера и интерфейс компьютера к датчикам и приводам с помощью пользовательских печатных плат. Включите один инфракрасный датчик близости в направлении, тестируются для приближающихся растений, включая достаточно светоизлучающих диодов для доставки синего света требования в направлении, тестируются для приближающихся растений.Включите оборудование, которое позволяет локальные сигналы между роботами и включают photoresistor для каждого направления соседнего робота, чтобы контролировать их состояние излучания света. Включите оборудование для рассеивания тепла, как того требуют условия выбранных синих диодов и использованного корпуса робота, используя комбинацию алюминиевых теплооттонов, вентиляционных отверстий в корпусе каждого робота и вентиляторов. После подтверждения того, что направление компонента робота равномерно поддерживается, распоить синие диоды, чтобы распределить эквивалентную интенсивность света по каждому из направлений, из которых растения могут приближаться и ориентировать каждый диод в корпусе робота таким образом, чтобы центральная ось его угла объектива была в пределах 60 градусов от каждой оси механической поддержки, которую он поддерживает.Расположения инфракрасных датчиков близости эквивалентно для их соответствующих приближающихся направлений роста в пределах одного сантиметра от точки крепления между роботом и механической поддержкой, обусматриваемой, ориентируя каждый датчик таким образом, чтобы его угол обзора был параллельны оси поддержки. Далее, прикрепить 125 на 180 сантиметров лист прозрачного акрила на 125 сантиметров в ширину стенд, который способен держать установку в вертикальном положении. Интегрируйте роботов в набор модульных механических опор, которые два раза держат роботов в положении и служат альпинистские леса для растений, чтобы ограничить средние траектории роста растений.На каждом роботе, включите точки крепления для якоря конкретных механических опор, включая одну точку крепления для каждого направления, с помощью которого завод может подойти или отойти от робота. Располагайте горшки с соответствующей почвой на подставке против акрилового листа и прикрепляйте двух роботов к акриловому листу, весповыв концы ранее размещенных опор в розетки в корпусе робота. Затем повторите шаблон, чтобы прикрепить оставшихся роботов и поддержать в диагонально стиснутый узор таким образом, что каждый ряд роботов на 35 сантиметров выше предыдущего ряда и что каждый робот горизонтально расположен прямо над роботом или Y сустава, который составляет два ряда ниже.Механические опоры должны быть расположены в регулярно стиснутый узор, который равномерно диагонали с углом наклона на 45 градусов или круче с равномерной длины поддержки минимум 30 сантиметров на поддержку. Предпочтительная длина обитаемой должна быть не менее 40 сантиметров, чтобы позволить некоторый буфер для статистически экстремальных случаев отслоения растений. В программном обеспечении робота, установить состояние стимула, во время которого робот излучает синий свет и спящее состояние, в течение которого робот либо излучает нет света или излучает красный свет.Поместите экспериментальную установку в контролируемых условиях окружающей среды и поддерживать фотосинтез растений с использованием светоизлучающих диодных ламп роста внешних роботов и перед экспериментальной установки. После прорастания, обеспечить каждое растение свой собственный горшок на базе экспериментальной установки и регулировать температуру воздуха и уровень влажности, как это уместно для отдельных видов с использованием обогревателей, кондиционеров, увлажнителей и увлажнителей по мере необходимости и мониторинга этих уровней с помощью датчика влажности температурного давления. Чтобы проверить рост растений в присутствии нескольких последующих условий стимулов, предоставить роботам глобальную карту шаблона, который будет расти и непрерывно захватывать timelapsed видео экспериментов с помощью камер, расположенных в двух или более точек зрения, по крайней мере один вид камеры, охватывающих полную экспериментальную установку.Убедитесь, что захваченные изображения имеют достаточно высокое разрешение, чтобы адекватно запечатлеть движения кончиков растений, которые, как правило, всего лишь несколько миллиметров в ширину. Затем наблюдайте за событиями крепления растений и моделью роста вдоль механических опор в течение соответствующего экспериментального периода роста. В условиях отсутствия синего света, положительный фототропизм не срабатывает, и растения демонстрируют непредвзятый рост вверх, поскольку они следуют гравитропизму.Растения также отображаются обычно окружности. Как и ожидалось в этих условиях, растения не могут найти механическую поддержку, ведущую к спящим роботам и краху, когда они больше не могут поддерживать свой собственный вес. Эксперимент должен быть остановлен, когда по крайней мере два растения рухнут.В этом репрезентативном эксперименте с одним решением роботы-стимулы успешно направили растения к правильной поддержке. В этом репрезентативном эксперименте с несколькими решениями растения превратились в заранее определенный зигзагообразный узор с использованием спящих и стимулирующих роботов, чтобы почувствовать и стимулировать рост растений соответственно до тех пор, пока заранее определенный зигзагообразный узор не был полностью выращен. Изучение такого рода биогибридной системы прокладывает путь к новым методам архитектуры, биологии и инженерии для разработки живых адаптивных структур и выращивания строительных компонентов.

Research

JoVE Journal

Engineering

Terahertz Microfluidic Sensing Using a Parallel-plate Waveguide Sensor

Терагерцового Микрофлюидных зондирования с помощью плоского волновода датчика

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

Синтез и эксплуатация Флуоресцентные-ядерный Микрополости для Рефрактометрические зондирования

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

Тестирование платформы на прочность исследований полимеров и армированных волокном полимерных композитов под Одновременно Hygrothermo-механические стимулы

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

Фемтосекундный лазер волокна для использования в суб-Diffraction-ограниченной изображений и дистанционного зондирования

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

Разработка и осуществление заказ манипулятора робота для экстра телесной УЗИ

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

Кремний накренилась волоконно оптического зондирования платформа с высоким разрешением и быстрого реагирования

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

Инфракрасная вырожденный Четырехволновое, смешивая с Upconversion обнаружения для количественного газ зондирования

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