Das Richtungswachstum von Pflanzen mit einem autonomen System zu steuern, ist ein neuartiges und originelles Konzept, über das vorher nicht berichtet wurde. Der Schlüssel hier für uns ist, herauszufinden, was tatsächlich machbar ist. Unsere Technik ist die erste automatisierte Methode, um Pflanzen mit Roboterknoten zu gewünschten Formen und Formen zu züchten, um Pflanzen mit ihren Sensoren zu erkennen und die Reize entsprechend zu schalten.
Diese Methode und die hier eingesetzten Roboter können mit dynamisch wachsenden Strukturen eingesetzt werden, bei denen Rückkopplungen die Entwicklung des Biohybridsystems bestimmen. Die Erhaltung der Gesundheit von Pflanzen und deren Präsenz an Kreuzungspunkten ist eine Herausforderung. Stellen Sie sicher, dass externe Lichtquellen keine phototropen Antworten in einem Fehlerzustand auslösen.
Visuelle Demonstration ist notwendig, um die Zusammenarbeit zwischen Pflanzen und Robotern über einen längeren Zeitraum zu zeigen, um benutzerdefinierte Wachstumsmuster zu entwickeln. Julian Ptezold, Ein studentischer Absolvent unserer Forschungsgruppe, wird das Experimentierverfahren demonstrieren. Bevor Sie ein Experiment beginnen, wählen Sie eine Pflanzenart aus, von der bekannt ist, dass sie einen starken positiven Phototropismus in Richtung ultraviolettes A und blaues Licht in den wachsenden Spitzen zeigt.
Wir haben uns für Phaseolus vulgaris oder gewöhnliche Bohnen entschieden, weil sie schnell wachsen und ein starkes Richtungswachstum in Richtung blaues Licht zeigen. Stellen Sie jeden Roboter um einen drahtlosen lokalen Computer mit einer einzigen Platine zusammen und verbinden Sie den Computer über eine benutzerdefinierte Leiterplatte mit Sensoren und Aktoren. Schließen Sie einen Infrarot-Näherungssensor pro Richtung an, der für herannahende Anlagen getestet wird, einschließlich ausreichender Leuchtdioden, um die Anforderungen an blaues Licht pro Richtung zu erfüllen, die für herannahende Pflanzen getestet werden.
Fügen Sie Hardware ein, die lokale Hinweise zwischen Robotern ermöglicht, und fügen Sie einen Photowiderstand für jede Richtung des benachbarten Roboters ein, um ihren Lichtemittanzstatus zu überwachen. Fügen Sie Hardware ein, um Wärme abzuleiten, wie dies aufgrund der Bedingungen der ausgewählten blauen Dioden und des verwendeten Robotergehäuses erforderlich ist, indem Sie eine Kombination aus Aluminium-Kühlkörpern, Belüftungsöffnungen im Gehäusegehäuse und Lüftern jedes Roboters verwenden. Nach der Bestätigung, dass die Richtungen der Roboterkomponente gleichmäßig gewartet sind, positionieren Sie die blauen Dioden, um eine gleichwertige Lichtintensität auf jede der Richtungen zu verteilen, aus denen sich die Pflanzen nähern können, und orientieren Sie jede Diode im Robotergehäuse so, dass die Mittelachse ihres Linsenwinkels innerhalb von 60 Grad jeder Achse der mechanischen Unterstützung liegt, die sie bedient.
Positionieren Sie die Infrarot-Näherungssensoren entsprechend für ihre jeweiligen herannahenden Wachstumsrichtungen innerhalb eines Zentimeters des Befestigungspunktes zwischen dem Roboter und der mechanischen Stütze, die gewartet wird, und orientieren Sie jeden Sensor so, dass sein Betrachtungswinkel parallel zur Stützachse verläuft. Als nächstes befestigen Sie ein 125 mal 180 Zentimeter großes Blatt transparenten Acryls auf einem 125 Zentimeter breiten Ständer, der das Setup in aufrechter Position halten kann. Integrieren Sie die Roboter in eine Reihe modularer mechanischer Stützen, die die Roboter doppelt in Position halten und als Klettergerüste für die Pflanzen dienen, um die wahrscheinlichen durchschnittlichen Wachstumspfade der Pflanzen einzuschränken.
An jedem Roboter, fügen Sie Befestigungspunkte, um die spezifischen mechanischen Stützen einschließlich eines Befestigungspunkts für jede Richtung, durch die eine Anlage einen Roboter nähern oder abfahren kann. Positionieren Sie Töpfe mit dem entsprechenden Boden auf dem Ständer gegen die Acrylfolie und befestigen Sie zwei Roboter auf der Acrylfolie, die die Enden der zuvor platzierten Stützen in die Buchsen in den Robotergehäusen einfügt. Wiederholen Sie dann das Muster, um die verbleibenden Roboter zu befestigen und in das diagonal zerknitterte Muster zu stützen, so dass jede Reihe von Robotern 35 Zentimeter über der vorherigen Reihe liegt und dass jeder Roboter horizontal direkt über dem Roboter oder Y-Gelenk positioniert ist, das zwei Reihen darunter ist.
Die mechanischen Stützen sollten in einem regelmäßig zerknitterten Muster angeordnet sein, das gleichmäßig diagonal mit einem Neigungswinkel bei 45 Grad oder steiler bei gleichmäßigen Stützlängen von mindestens 30 Zentimetern pro Stütze ist. Die bevorzugte exponierte Länge sollte mindestens 40 Zentimeter betragen, um einen Puffer für statistisch extreme Fälle von Pflanzenablösung zu ermöglichen. In der Robotersoftware wird ein Stimuluszustand festgelegt, in dem der Roboter blaues Licht aussendet und einen ruhenden Zustand, in dem der Roboter entweder kein Licht aussendet oder rotes Licht aussendet.
Stellen Sie den Versuchsaufbau unter kontrollierte Umgebungsbedingungen und halten Sie die Pflanzenphotosynthese mit Leuchtdiodenwachstumslampen außerhalb der Roboter und mit Blick auf den Versuchsaufbau aufrecht. Nach dem Keimen stellen Sie jeder Pflanze ihren eigenen Topf an der Basis des Versuchsaufbaus zur Verfügung und regulieren Die Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit je nach Bedarf mit Heizungen, Klimaanlagen, Luftbefeuchtern und Luftbefeuchtern und überwachen diese Werte mit einem Temperaturdruck-Feuchtigkeitssensor. Um das Pflanzenwachstum in Gegenwart mehrerer nachfolgender Reizbedingungen zu testen, stellen Sie den Robotern eine globale Karte des zu entwickelnden Musters zur Verfügung und erfassen kontinuierlich zeitverendliche Videos der Experimente mit Kameras, die an zwei oder mehr Aussichtspunkten positioniert sind, wobei mindestens eine Kameraansicht den vollständigen Versuchsaufbau umfasst.
Stellen Sie sicher, dass die aufgenommenen Bilder eine hohe Auflösung aufweisen, um die Bewegungen der Pflanzenwachstumsspitzen, die in der Regel nur wenige Millimeter breit sind, angemessen zu erfassen. Beobachten Sie dann die Pflanzenanhaftungsereignisse und das Wachstumsmuster entlang der mechanischen Stützen über eine geeignete experimentelle Wachstumsperiode. Unter Bedingungen ohne blaues Licht wird kein positiver Phototropismus ausgelöst und die Pflanzen zeigen ein unvoreingenommenes Aufwärtswachstum, da sie dem Gravitropismus folgen.
Die Pflanzen zeigten auch typischerweise umsichation. Wie unter diesen Bedingungen erwartet, finden die Pflanzen nicht die mechanische Unterstützung, die zu den ruhenden Robotern führt und kollabieren, wenn sie ihr eigenes Gewicht nicht mehr tragen können. Das Experiment sollte gestoppt werden, wenn mindestens zwei Pflanzen zusammenbrechen.
In diesem repräsentativen Einzelentscheidungsexperiment steuerten die Stimulusroboter die Pflanzen erfolgreich zur richtigen Stütze. In diesem repräsentativen Multiple-Decision-Experiment wuchsen die Pflanzen zu einem vordefinierten Zickzackmuster heran, bei dem ruhende und reizende Roboter das Pflanzenwachstum bzw. das vordefinierte Zickzackmuster ausgewachsen waren. Das Studium dieser Art von Biohybrid-System ebnet den Weg zu neuen Techniken aus Architektur, Biologie und Ingenieurwesen, um lebende adaptive Strukturen zu entwickeln und Gebäudekomponenten zu wachsen.
