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利用物理储层计算研究植物生理动力学

利用物理储层计算研究植物生理动力学

  • 分类:学术中心
  • 作者:PhenoTrait
  • 来源:本站
  • 发布时间:2022-08-18 06:10
  • 访问量:

【概要描述】研究结果表明,植物的光合速率、蒸腾速率等生理生态指标不适用于通用计算,如图5。研究植物对环境动态变化的信息处理,有助于对植物对环境动态变化的综合响应进行量化和理解。物理储层计算在植物上的首次应用是在精确农业应用中向表型和早期胁迫检测的整体观点过渡的关键,因为物理储层计算使我们能够以一般的方式分析植物的响应:植物处理环境变化以优化其表型。

利用物理储层计算研究植物生理动力学

【概要描述】研究结果表明,植物的光合速率、蒸腾速率等生理生态指标不适用于通用计算,如图5。研究植物对环境动态变化的信息处理,有助于对植物对环境动态变化的综合响应进行量化和理解。物理储层计算在植物上的首次应用是在精确农业应用中向表型和早期胁迫检测的整体观点过渡的关键,因为物理储层计算使我们能够以一般的方式分析植物的响应:植物处理环境变化以优化其表型。

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  植物是复杂的生物,环境条件的变化对植物的生理和表型产生动态影响。在物理储层计算中,提出将植物解释为储层。物理储层计算范式起源于计算机科学,而不是依赖布尔电路来执行计算,任何表现出复杂非线性和时间动态的基板都可以作为计算元素,如图1。本文介绍了物理储层计算在植物上的首次应用,如图2。除了研究经典的基准任务外,还研究了草莓(Fragaria × ananassa)植物仅利用8个叶片厚度传感器就可以解决环境和生态生理任务,如图3,三个实验和叶片厚度传感器的位置如图4。研究结果表明,植物的光合速率、蒸腾速率等生理生态指标不适用于通用计算,如图5。研究植物对环境动态变化的信息处理,有助于对植物对环境动态变化的综合响应进行量化和理解。物理储层计算在植物上的首次应用是在精确农业应用中向表型和早期胁迫检测的整体观点过渡的关键,因为物理储层计算使我们能够以一般的方式分析植物的响应:植物处理环境变化以优化其表型。

 

  图1 物理储层计算实现的图形说明。(a)嵌入变形传感器的软机械臂,(b)由被动弹簧和主动弹簧(细线和虚线)和横梁(粗线)组成的张拉整体结构(弹簧-质量系统)构建的机器人体。这些梁有一个固定的长度和不变形,而弹簧可以收缩和/或延伸。力传感器测量储层的状态。(c)以生物和非生物因素为输入和植物传感器监测植物状态的植物储层计算执行。

 

  图2 实验的概念概述。这三个调制的输入变量构成了植物-储层的输入。储层根据现在和之前的输入作出反应,从而改变叶片厚度。观察叶片厚度,并认为是储层的输出。然后将这些输出组合起来,以预测其中一个预测目标。

 

  图3 两种不同草莓的预测性能及控制环境下的箱型图。箱型图可视化了不同采样的效果:在每个采样中,8个夹中的7个被用作储层读数。这使我们能够估计随机传感器放置的可变性。在控制实验中,厚度夹不安装在设备或其他材料上。

 

  图4 概述三个实验和叶片厚度传感器的位置。图中描述了每个传感器的夹号。(a)框架顶部和两侧的灯栅。圆圈表示单个LED灯,数字表示该灯所属的组。空的插座是没有数字的圆圈。左侧、右侧和顶部(分别为24、14和15组)安装在两侧,帮助创建定向照明。(b)生长室内的整个装置。不同的测量仪器以及生长室内的气流显示。(c) - (e)描述每次实验结束时设置的图像:(c)草莓1,(d)草莓2和(e)对照实验。仔细观察夹子是否安装在(e)中的设备上。在图片中还可以看到两个没有标记的夹子,它们是由于传感器故障而被丢弃。

 

  图5 储层物性分析概况和基准测试任务。(a)描述在环境和生物任务中,片段(或读数)的数量对任务绩效的影响。(b)描述了IPAR信号预测任务中延迟的影响。(c)描绘了IPAR基准任务的多项式变换。(d)显示不同的非线性自回归移动平均线(nonlinear auto-regressive moving average,NARMA)任务,难度越来越大。NARMA基准任务使用光强度数据IPAR作为n ={2, 5, 10, 20, 50, 100}的输入。每个子图中的误差条表示标准偏差。

 

  来源:Pieters, O., De Swaef, T., Stock, M. et al. Leveraging plant physiological dynamics using physical reservoir computing. Sci Rep 12, 12594 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-16874-0

  

  编辑:王春颖

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