高通量植物表型平台

高通量植物表型平台

在“高通量植物表型”没有形成商业化的细分市场之前,著名的温室园艺自动化公司已经在2003年为比利时的CropDesign公司建造了世界上第一套高通量数字化植物表型系统,通量为40 000盆,至今仍在每天运行。如此高通量的一套系统,迄今为止在全世界仍然是唯一的。

到目前为止,WPS表型系统的客户包括CropDesign(已被巴斯夫收购)、英美烟草、陶氏、拜耳、KeyGene等等,以及超过110家大型园艺公司,传送带的长度合计超过1000 km,每周传送的植株数目达到150万株,每周拍摄的表型图片超过1000万张。

WPS基于传送系统的高通量表型平台被称为WPScanConveyor

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功能特性

  • 模块化的产品设计,方便为客户提供定制化方案
  • 花盆里溅出的土壤、水都不会影响表型平台的运转
  • U型传送带可以进行花盆漫灌,特别适合水稻的高通量测量
  • 传送带的更换和维护非常便宜
  • 图像分析软件在相机端,测量完4秒内即完成数据分析
  • 每小时的测量通量可以达到150-600
  • 涵盖各种植物,例如水稻、小麦、玉米、番茄、土豆、甘薯、大豆、苜蓿、烟草、油菜、白菜等等
  • 测量的植物尺寸从几厘米到两三米
  • 2003年为比利时CropDesign公司建造了世界上第一套高通量数字化植物表型系统,通量为40 000盆,至今仍是全球最大的高通量植物表型平台,且每天都在运行
  • 全球已安装系统的传送带长度合计超过1000 km

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基本设计

如图所示为一个基础的设计方案,植物的整个生长阶段都可以在传送带上,传送带可以根据客户需要设定是否定时进行随机排列。通过传送带可以把植物传送到指定位置,如自动浇水称重单元、成像单元以及人工加载区等。对于温室或者生长室内的植物,传送带还可以根据植物大小设计传送带间的距离,以保证植物在传送过程中不会相互干扰。

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500盆植物的自动化传送系统,配有成像暗房:1- 该节传送带是平衡的,可以自由升起,手动控制,非常轻松的进入成像区域和浇水单元;2- 植物生长的传送区域;3- 成像室;4- 浇水称重单元

整个表型平台都采用模块化设计,这样可以最大程度的满足客户定制化的需求。

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模块化设计,定制化服务

成像暗房的高度

对于表型平台而言,成像暗房的高度依赖于受测植物的高度和宽度。因此客户在提出设计需求时,需要预先明确所研究植物的最大高度和最大宽度,根据下表确认自己的温室或房间是否能满足安装。下表中的Height指植物高度,Width指植物宽度,两者交叉对应的数据为成像暗房的高度,单位为毫米。

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根据植物的最大高度和最大宽度来决定成像暗房的高度

传送区域

为了降低大型植物(叶片易交叠)纵向移动摩擦造成的损伤,WPS专门开发了一种新的方法,能够最大限度的降低植物之间的相互影响,从而保证数据的可靠性。这种方法要求每条传送带末端的那盆植物逐次运动,当最后一株植物移动之后,整个区域的所有植物朝着传送带的输出端整体移动一个位置,这样就不会损伤叶片了。

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成像单元内传送车旋转装置

对于某些成像单元,在成像过程中要求植物可以自动旋转,以便获得不同侧面的图像,进而对植物的结构特征和生物学信息进行综合评价。WPS系统安装了一套高精度的自动旋转装置,位于成像单元内部,能够自动将植物从传送带上取下并放置到旋转台上,根据预设的成像角度自动采集植株不同侧面的图像。整个图像采集过程速度较快,72个侧面加上顶面仅需4秒钟便可完成,完全满足高通量测定的需求。

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左为结构示意图,右为实物图。其中右图中左下角的相机为专门做根系成像的相机

浇水和称重单元

精确灌溉是数字化植物表型系统一个非常重要的组成部分。WPS自动浇水和称重单元能够监测植物的重量变化,并准确控制每一个植株的浇水量。浇水和称重单元主要包含以下几个模块:

  • 植物定位装置:确保植物+盆+传送车位于重力感应器位置,进行承重;
  • 重力感应器:准确测定植物+盆+传送车的重量;
  • 浇水臂:带有高精度的喷嘴,可以选择从花盆顶部、底部托盘或者其他方式(如模仿降雨)浇水;
  • 泵。
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左为结构示意图,右为浇水单元实物图

此外,对于像水稻这种作物来说,WPS能够提供一种特殊的传送带直接漫灌,更接近田间真实情况。这种传送带两个侧面带挡板,呈U型结构。传送带的两端亦带挡板,整条传送带形成一个水槽,可以浇满水进行培养。等到测量时,将水放掉进行传送即可。

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SmartFlo传送带,WPS的顶级创意

WPS也可以为客户提供一种低成本的半自动化表型系统,该系统是基于大名鼎鼎的SmartFio系统设计而成,同样可以保证较高的通量和可靠地数据。SmartFio系统一直采用与全自动高通量表型系统相同的浇水称重单元,能够与“feeder”自动化传送带直接连接,对温室或者野外的植物进行表型测定。如下为一些具体的实例:

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植物传送车

植物传送车主要用于承载植物,并配合传送带运送至系统的各个区域。具体功能如下:

  • 增加植物稳定性;
  • 定义传送带上植物的空间;
  • 允许传送车缓冲,以发挥整套系统的最佳效率。

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WPS植物传送车有一个独一无二的特性,该特性在与传送带配合工作中发挥作用。当传送车在运动过程中遇到阻碍物时,它可以自动抬高以脱离处于运动状态的传送带(通过一种简单、零成本的工程解决方案实现),这导致传送车与传送带之间的摩擦力瞬间消失,从而避免植物受到损伤。因此,客户甚至可以通过一根手指轻松挡停超过100 kg的物体。

根系表型测定

对于植物根系表型的研究,WPS也可以提供相应的方法去测定和量化。

  • 根系生长速率;
  • 根系厚度;
  • 无损伤根系生物量;
  • 根系坏死。

通过对一种带有方形边框花盆的传送,便可以实现高通量自动化的根系表型研究。请参加下图的花盆设计:

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主要技术参数

  • 植物高度:幼苗到5 m高
  • 传送系统最小长度:3 m
  • 传送系统最大长度:30 至 70 m
  • 最大加载:15 kg/植物+传送车
  • 传送带材质:聚氨酯传送带
  • 传送速度范围:3-30 m/min
  • 框架材质:镀锌钢&铝
  • 支持材料:镀锌钢
  • 成像单元旋转台直径:300 mm
  • 旋转速度:1-180度/秒
  • 旋转增量:1度
  • 旋转精度:+/- 1度
  • 旋转台直线导轨长度:400-4000 mm
  • 灌溉系统直线导轨长度:700-2000 mm
  • 灌溉精度:+/- 1ml + 1% of dose
  • 称重系统最大承重:20 kg
  • 称重系统安全超载限制:最大承重的500 %
  • 称重系统精度:最大承重的0.015 %