Guidare la crescita direzionale delle piante con un sistema autonomo è un concetto nuovo e originale che non è stato riportato prima. La chiave qui per noi è scoprire cosa è effettivamente fattibile. La nostra tecnica è il primo metodo automatizzato per far crescere le piante in forme e forme desiderate utilizzando nodi robotici per rilevare le piante con i loro sensori e cambiare di conseguenza gli stimoli.
Questo metodo e i robot qui utilizzati possono essere utilizzati con strutture in crescita dinamica in cui i feedback determinano lo sviluppo del sistema bioibride. Mantenere la salute delle piante e rilevarne la presenza nei punti di intersezione è difficile. Assicurarsi che le sorgenti luminose esterne non innescheranno risposte fototropiche in uno stato di guasto.
La dimostrazione visiva è necessaria per mostrare la collaborazione tra piante e robot per lunghi periodi di tempo per far crescere modelli di crescita definiti dall'utente. Julian Ptezold, uno studente laureato nel nostro gruppo di ricerca, dimostrerà la procedura di esperimento. Prima di iniziare un esperimento, selezionare una specie vegetale nota per mostrare un forte fototropismo positivo verso l'ultravioletto A e la luce blu nelle punte di crescita.
Abbiamo scelto Phaseolus vulgaris o fagiolini perché crescono velocemente e mostrano una forte crescita direzionale verso la luce blu. Comporre ogni robot attorno a un computer wireless abilitato alla rete locale a scheda singola e interfacciare il computer a sensori e attuatori tramite un circuito stampato personalizzato. Includere un sensore di prossimità a infrarossi per direzione in fase di test per gli impianti in avvicinamento, inclusi un numero sufficiente di diodi emettitori di luce per fornire i requisiti di luce blu per direzione in fase di test per gli impianti in avvicinamento.
Includi hardware che consenta segnali locali tra robot e includa un fotoresistore per ogni direzione del robot vicino per monitorare il loro stato di emissione di luce. Includere l'hardware per dissipare il calore come richiesto dalle condizioni dei diodi blu selezionati e dell'involucro del robot utilizzato utilizzando una combinazione di dissipatori di calore in alluminio, prese d'aria nell'involucro e nelle ventole di ogni robot. Dopo aver confermato che le direzioni dei componenti del robot sono posizionate uniformemente, posizionare i diodi blu per distribuire un'intensità luminosa equivalente a ciascuna delle direzioni da cui le piante possono avvicinarsi e orientare ogni diodo nel caso del robot in modo che l'asse centrale del suo angolo obiettivo sia entro 60 gradi da ogni asse del supporto meccanico che fornisce.
Posizionare i sensori di prossimità all'infrarosso in modo equivalente per le rispettive direzioni di crescita in avvicinamento entro un centimetro dal punto di attacco tra il robot e il supporto meccanico che viene utilizzato orientando ciascun sensore in modo che il suo angolo di visualizzazione sia parallelo all'asse di supporto. Successivamente, apporre un foglio di acrilico trasparente di 125 per 180 centimetri su un supporto largo 125 centimetri in grado di mantenere la configurazione in posizione verticale. Integra i robot in una serie di supporti meccanici modulari che tengono doppiamente i robot in posizione e fungono da impalcature da arrampicata per le piante per limitare le probabili traiettorie di crescita media delle piante.
Su ogni robot, includere punti di attacco per ancorare i supporti meccanici specifici, incluso un punto di attacco per ogni direzione con cui un impianto può avvicinarsi o lasciare un robot. Posizionare i vasi con il terreno appropriato sul supporto contro il foglio acrilico e apporre due robot sul foglio acrilico inserendo le estremità dei supporti precedentemente posizionati nelle prese nelle casse del robot. Quindi ripetere il modello per apporre i robot rimanenti e sostenere nel modello in diagonale in grani tale che ogni fila di robot sia 35 centimetri sopra la riga precedente e che ogni robot sia posizionato orizzontalmente direttamente sopra il robot o il giunto Y che si trova due file sotto.
I supporti meccanici devono essere disposti in un modello regolarmente grintoso che sia uniformemente diagonale con un angolo di inclinazione a 45 gradi o più ripido con lunghezze di supporto uniformi di almeno 30 centimetri per supporto. La lunghezza esposta preferita dovrebbe essere di almeno 40 centimetri per consentire un certo buffer per casi statisticamente estremi di distacco delle piante. Nel software del robot, stabilire uno stato di stimolo durante il quale il robot emette luce blu e uno stato dormiente durante il quale il robot non emette luce o emette luce rossa.
Posizionare la configurazione sperimentale in condizioni ambientali controllate e mantenere la fotosintesi dell'impianto utilizzando lampade di crescita a diodi emettitori di luce esterne ai robot e di fronte alla configurazione sperimentale. Dopo la germinazione, fornire a ciascuna pianta il proprio vaso alla base dell'impostazione sperimentale e regolare i livelli di temperatura e umidità dell'aria in base alle specie selezionate utilizzando riscaldatori, condizionatori d'aria, umidificatori e de-umidificatori se necessario e monitorando questi livelli utilizzando un sensore di umidità della pressione della temperatura. Per testare la crescita delle piante in presenza di molteplici condizioni di stimolo successive, fornire ai robot una mappa globale del modello da cresciuta e catturare continuamente video timelapsed degli esperimenti utilizzando telecamere posizionate in due o più punti panoramici con almeno una vista della telecamera che comprende l'impostazione sperimentale completa.
Assicurarsi che le immagini acquisite siano di una risoluzione abbastanza alta da catturare adeguatamente i movimenti delle punte di coltivazione della pianta che in genere sono di pochi millimetri di larghezza. Quindi osservare gli eventi di attacco dell'impianto e il modello di crescita lungo i supporti meccanici in un adeguato periodo di crescita sperimentale. In condizioni prive di luce blu, il fototropismo positivo non viene attivato e le piante mostrano una crescita verso l'alto imparziale mentre seguono il gravitropismo.
Le piante mostrano anche tipicamente la circumnutazione. Come previsto in queste condizioni, gli impianti non riescono a trovare il supporto meccanico che porta ai robot dormienti e collassano quando non riescono più a sostenere il proprio peso. L'esperimento dovrebbe essere interrotto quando almeno due piante collassano.
In questo esperimento rappresentativo a decisione singola, i robot di stimolo hanno guidato con successo le piante verso il supporto corretto. In questo esperimento rappresentativo a decisione multipla, le piante sono cresciute in un modello zigzag predefiniti usando robot dormienti e stimolanti per percepire e stimolare la crescita delle piante rispettivamente fino a quando il modello zigzag prede definito non è stato completamente coltivato. Studiare questo tipo di sistema bioibride apre la strada a tecniche emergenti dall'architettura, dalla biologia e dall'ingegneria per sviluppare strutture adattive viventi e far crescere componenti di costruzione.
