用于无创根部表型鉴定的方法及设备与流程

本申请要求2015年11月24日提交的题为“用于无创根部表型鉴定的方法及设备”的第62/259,587号临时申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

背景技术

本申请总体涉及用于无创根部表型鉴定的设备，更具体地涉及检测植物根部以及随时间监测植物根部性状的电子系统和电子设备。

相关技术描述

根系构型(rsa)描述了由遗传和外界因素形成的土壤中根系的空间排列。rsa影响植物适应性、作物表现、粮食产量，并可影响植物的抗旱性和获得养分的能力。例如，研究表明，在水稻中修饰单个基因“deeperrooting1”(dro1)改变了根部角度，而不改变根部的总长度。根部角度的这种微小变化将根部向下引导，这使植物接触到更多的地下水。因此，与水分充足的条件相比，修饰的水稻(例如带有dro1基因的水稻)在干旱条件下产量减少10％，而在相同条件下，未修饰的水稻(例如不带有dro1基因的水稻)产量减少60％。

根部性状很少应用于育种计划，部分原因是难以测量和监测不透明和复杂土壤中的根部生长。目前的技术要么会降低作物产量，要么会干扰植物的生长周期。例如，一种技术是将田间种植的植物连根拔起进行单时间点测量。这种技术不仅具有破坏性，而且连根拔起过程会改变原位因素(例如移除土基)，这可能会使测量产生偏差(例如没有土壤情况下的根部角度测量)。

一种破坏性较小的技术提供了例如根管的观察窗，以观察根部随时间的变化。这项技术在根部生长路径中设置了透明屏障，以便观察在根管摄像机的观察窗附近生长的根部。这种技术干扰了植物的自然生长周期，因为其有意地阻碍了根部发育的自然路径。

在生长季节期间对rsa进行实时监测而不干扰植物的生长周期，可以提供能够用于生产更健康的植物和产量更丰足的作物的宝贵信息。因此，存在对用于监测根部表型(例如生长速率、长度、角度等)的改进的无创技术的挑战。

发明概述

以下给出一个或多个方面的简化概述，以便提供对这些实施例的基本理解。本概述不是对所有所设想的实施例的全面概述，并且既不旨在标识所有实施例的关键或重要元素，也不旨在限定出任何或所有实施例的范围。其目的是以简化形式呈现一个或多个实施例的一些概念作为下文呈现的更详细描述的序言。

在一些实施例中，本申请提供了一种用于检测土壤中植物的根部的电子传感器，该电子传感器包括：第一导体板，其被配置成布置在土壤中；电联接到该第一导体板的切换器，其中该切换器被配置成在第一模式与第二模式之间切换；电联接到该切换器的电源，其中该电源被配置成在该切换器的第一模式中向该第一导体板提供电荷；和电联接到该切换器的信号提取器，其中该信号提取器被配置成在该切换器的第二模式中提取该第一导体板处的信号响应。在某些实施例中，本申请进一步提供了第二导体板，该第二导体板被配置成布置在土壤中，与该第一导体板邻近并基本平行，其中该第二导体板电联接到地。

在一些实施例中，本申请提供了一种用于监测土壤位置中植物的根部的生长的电子设备，其包括：适于邻近该土壤位置安排的支撑结构；和附接到该支撑结构的多个电子传感器，其中该多个电子传感器中的至少一个电子传感器包括：第一导体板，其被配置成布置在土壤中；电联接到该第一导体板的切换器，其中该切换器被配置成在第一模式与第二模式之间切换；电联接到该切换器的电源，其中该电源被配置成在该切换器的第一模式中向该第一导体板提供电荷；和电联接到该切换器的信号提取器，其中该信号提取器被配置成在该切换器的第二模式中提取该第一导体板处的信号响应。在某些实施例中，本申请进一步提供了第二导体板，该第二导体板被配置成布置在土壤中，与该第一导体板邻近并基本平行，其中该第二导体板电联接到地。

在一些实施例中，本申请提供了一种通过使用电子设备来监测植物根部的生长的方法，该电子设备包括一个或多个处理器、存储器和定位在该植物根部周围的多个传感器，该方法包括：在该多个传感器中的一个传感器处，在第一预定时间内从电源向被配置成布置在土壤中的第一导体板充电；将该第一导体板与该电源电分离；在第二预定时间内提取该第一导体板处的信号响应；确定该信号响应的一部分是否超过阈值，其中根部存在与确定该信号响应的该部分超过该阈值相关联；以及根据该信号响应的该部分超过该阈值，将根部存在指示符存储到该存储器。在某些实施例中，本申请进一步提出了将第二导体板电接地，其中该第二导体板被配置成布置在土壤中，并且与该第一导体板邻近并基本平行。

在一些实施例中，本申请提供了一种非瞬态计算机可读的存储介质，该存储介质包括由电子设备的一个或多个处理器执行的一个或多个程序，该一个或多个程序包括指令，当由该一个或多个处理器执行时，该指令使得该设备：在该多个传感器中的一个传感器处，在第一预定时间内从电源向被配置成布置在土壤中的第一导体板充电；将该第一导体板与该电源电分离；在第二预定时间内提取该第一导体板处的信号响应；确定该信号响应的一部分是否超过阈值，其中根部存在与确定该信号响应的该部分超过该阈值相关联；以及根据该信号响应的该部分超过该阈值，将根部存在指示符存储到存储器。在某些实施例中，本申请进一步提出了将第二导体板电接地，其中该第二导体板被配置成布置在土壤中，并且与该第一导体板邻近并基本平行。

在一些实施例中，本申请提供了一种用于监测植物根部的生长的设备，其包括：适于安排在该植物根部周围的笼状结构；附接到该笼状结构上的多个根部传感器，其中该多个根部传感器中的每个根部传感器被配置成用于检测该植物根部的存在；被配置成从该多个根部传感器接收数据的一个或多个处理器；和联接到该一个或多个处理器和该多个根部传感器的电源。

在一些实施例中，本申请提供了一种非瞬态计算机可读的存储介质，该存储介质包括由电子设备的一个或多个处理器执行的一个或多个程序，该一个或多个程序包括指令，当由该一个或多个处理器执行时，该指令使得该设备：接收表示来自多个根部传感器中的一个根部传感器的输入的数据，其中该输入来自土壤位置中的植物的植物根部，并且其中该多个根部传感器围绕该土壤位置定位；以及基于该数据确定该植物根部的生长特征。

在一些实施例中，本申请提供了一种通过设备来监测植物根部的生长的方法，该设备包括一个或多个处理器和定位在该植物根部周围的多个根部传感器，该方法包括：接收表示来自该多个根部传感器中的一个根部传感器的输入的数据，其中该输入来自该植物根部；以及基于该数据确定该植物根部的生长特征。

在一些实施例中，本申请提供了一种设备，其包括：多个根部传感器；一个或多个处理器；存储器；和一个或多个程序，其中该一个或多个程序被存储在该存储器中并且被配置成由该一个或多个处理器执行，该一个或多个程序包括用于以下操作的指令：接收表示来自该多个根部传感器中的一个根部传感器的输入的数据，其中该输入来自植物根部；以及基于该数据确定该植物根部的生长特征。

在一些实施例中，本申请提供了一种用于监测植物根部生长的方法，其包括：将多个根部传感器围绕土壤位置定位；将种子播种在该土壤位置中；在该种子长成具有植物根部的植物后，接收表示来自该多个根部传感器中的一个根部传感器的输入的数据，其中该输入来自该植物根部；以及基于该数据确定该植物根部的生长特征。

在一些实施例中，本申请提供了一种用于监测植物根部生长的方法，其包括：将多个根部传感器围绕土壤位置定位，其中生成植物根部的植物种植在该土壤位置中；接收表示来自该多个根部传感器中的一个根部传感器的输入的数据，其中该输入来自该植物根部；以及基于该数据确定该植物根部的生长特征。

在一些实施例中，本申请提供了一种基于根部生长特征选择用于育种的植物的方法，其包括：将多个根部传感器围绕土壤位置定位；将种子播种在该土壤位置中；在该种子长成具有植物根部的植物后，接收表示来自该多个根部传感器中的一个根部传感器的输入的数据，其中该输入来自该植物根部；基于该数据确定该植物根部的根部生长特征；以及基于所确定的根部生长特征选择用于育种的植物。

在一些实施例中，本申请提供了一种用于确定植物-微生物相互作用对根部生长特征的影响的方法，其包括：将多个根部传感器围绕土壤位置定位；将第一种子播种在该土壤位置中；使该土壤位置接种第一微生物或微生物群落；在该第一种子已经生长成具有第一植物根部的第一植物之后，并且在该第一植物与该第一微生物之间建立植物-微生物相互作用之后：接收表示来自该多个根部传感器中的一个根部传感器的输入的数据，其中该输入来自该第一植物根部；基于该数据确定该第一植物根部的第一根部生长特征；确定来自参比植物的参比植物根部的参比根部生长特征，该参比植物是与该第一植物相同的物种；以及通过比较该第一根部生长特征和该参比根部生长特征，确定植物-微生物相互作用对该第一根部生长特征的影响。

在一些实施例中，本申请提供了一种用于确定植物-微生物相互作用对根部生长特征的影响的方法，其包括：将多个根部传感器围绕土壤位置定位；使第一种子接种第一微生物或微生物群落；将该第一种子播种在该土壤位置中；在该第一种子已经生长成具有第一植物根部的第一植物之后，并且在该第一植物与该第一微生物或微生物群落之间建立植物-微生物相互作用之后：接收表示来自该多个根部传感器中的一个根部传感器的输入的数据，其中该输入来自该第一植物根部；基于该数据确定该第一植物根部的第一根部生长特征；确定来自参比植物的参比植物根部的参比根部生长特征，该参比植物是与该第一植物相同的物种；以及通过比较该第一根部生长特征和该参比根部生长特征，确定植物-微生物相互作用对该第一根部生长特征的影响。

在一些实施例中，本申请提供了一种用于监测土壤生物的方法，其包括：将多个根部传感器围绕土壤位置定位；将种子播种在该土壤位置中；在该种子已经长成具有植物根部的植物后，并且在该土壤生物已经侵入该土壤位置后，接收表示来自该多个根部传感器中的一个根部传感器的输入的数据；基于该数据，确定该输入是来自该植物根部还是来自该土壤生物；以及根据确定该输入来自该土壤生物：基于该数据来监测该土壤生物。

在一些实施例中，本申请提供了一种用于监测土壤生物的方法，其包括：将多个根部传感器围绕土壤位置定位，其中具有植物根部的植物种植在该土壤位置中，并且其中该土壤生物已经侵入该土壤位置；接收表示来自该多个根部传感器中的一个根部传感器的输入的数据；基于该数据，确定该输入是来自该植物根部还是来自该土壤生物；以及根据确定该输入来自该土壤生物：基于该数据来监测该土壤生物。

应理解，上述和本文所述的各种实施例中的一个、一些或全部性质可以组合以形成本发明的其他实施例。本发明的这些和其他方面对于本领域技术人员将变得显而易见。本发明的这些和其他实施例将通过下面的详细说明进一步描述。

附图简述

为了更好地理解所描述的各种实施例，应结合以下附图参考下面的描述，其中在所有附图中，相同的附图标记指代相应的部分。

图1是示出无创根部表型鉴定设备的一个实施例的图。

图2a和图2b是示出带有导体板的无创根部表型鉴定设备的顶视图和等视图的图。

图3a和图3b是示出相对于根部的基部以斜角倾斜的导体板的截面的实施例的图。

图4a和图4b是示出根部接触传感器的实施例的电路图，该根部接触传感器被配置成确定根部是否与根部导体板接触。

图5a-5c是示出具有多个导体板的无创根部表型鉴定设备的实施例的图，该多个导体板随时间在植物根系的不同生长阶段围绕植物。

图6a是示出用于具有多个平行导体板的无创根部表型鉴定设备的传感器阵列的一部分的侧视图的图。

图6b是示出了无创根部表型鉴定设备的等视图，其中传感器阵列的一部分和多个平行导体板架设在圆形支撑件之间。

图7a和图7b是示出在第一导电板与第二导电板之间不存在根部的情况下根部接近度传感器的实施例的电路图。

图8a和图8b是示出在第一导电板与第二导电板之间存在根部的情况下根部接近度传感器的实施例的电路图。

图9a和图9b是示出根部接近度传感器的实施例的电路图，该根部接近度传感器被配置成在根部碰到至少一个导体板的情况下确定在第一导体板与第二导体板之间是否存在根部。

图10a-10c是示出具有多个接近度传感器的无创根部表型鉴定设备的实施例的图，该多个接近度传感器随时间在植物根系的不同生长阶段围绕植物。

图11是示出具有接近度传感器阵列的无创根部表型鉴定设备的等视图的图，其中该接近度传感器阵列具有架设在桩上的多个接近度传感器。

图12是示出根部表型鉴定设备处的不同装置/部件之间的数据流的概念数据流图。

图13是带有多个传感器的植物表型鉴定设备检测根部并确定根部性状的流程图。

发明详述

以下结合附图阐述的详细描述旨在作为各种构型的描述，而不旨在表示其中可以实践本文所描述的概念的仅有构型。详细描述包括具体细节，目的是提供对各种概念的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，这些概念可以在没有这些具体细节的情况下实施。在一些情况下，公知的结构和部件以框图的形式示出，以避免模糊这些概念。

现在将参考各种电子设备和方法来呈现用于监测植物根部生长的检测根部的实施例。这些电子设备和方法将在以下详细描述中描述，并在附图中通过各种框、部件、电路、步骤、过程、算法等(统称“元素”)示出。这些元素可以使用电子硬件、计算机软件或其任何组合来实现。这些元素是实现为硬件还是软件取决于特定的应用和施加在整个系统上的设计约束。

举例来说，可以使用一个或多个处理器来实现一个元素、一个元素的任何部分或多个元素的任何组合。处理器的实施例包括微处理器、微控制器、图形处理单元(gpu)、中央处理单元(cpu)、应用处理器、数字信号处理器(dsp)、精简指令集计算(risc)处理器、片上系统(soc)、基带处理器、现场可编程门阵列(fpga)、可编程逻辑设备(pld)、状态机、门控逻辑、分立硬件电路以及被配置成执行贯穿本申请描述的各种功能的其他合适硬件。处理系统中的一个或多个处理器可以执行软件。软件应广义地解释为指代指令、指令集、代码、代码段、程序代码、程序、子程序、软件组件、应用、软件应用、软件包、例程、子例程、对象、可执行目标、执行线程、过程、函数等，无论是称为软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言还是其他。

因此，在一个或多个实施例中，所描述的功能可以用硬件、软件或其任意组合来实现。如果以软件实现，则这些函数可以存储在计算机可读介质上或编码为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码。计算机可读介质可以包括用于携带或具有存储在其上的计算机可执行指令或数据结构的瞬态或非瞬态计算机存储介质。瞬态存储介质和非瞬态存储介质都可以是可由计算机作为处理系统的一部分访问的任何可用介质。作为示例而非限制，这种计算机可读介质可以包括随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程rom(eeprom)、光盘存储器、磁盘存储器、其他磁存储设备、前述类型的计算机可读介质的组合、或者可以用于存储呈指令或可以由计算机访问的数据结构形式的计算机可执行代码的任何其他介质。此外，当信息通过网络或另一通信连接(硬连线、无线、蜂窝或其组合)传输或提供到计算机时，计算机或处理系统根据具体介质适当地将连接确定为瞬态或非瞬态计算机可读介质。因此，任何这样的连接都被恰当地称为计算机可读介质。上述各项的组合也应包括在计算机可读介质的范围内。非瞬态计算机可读介质排除信号本身和空中接口。

本申请提供了用于检测和/或监测植物根部生长的电子设备。该电子设备包括适于邻近该土壤位置安排的支撑结构(例如笼状结构)。该电子设备还包括被架设在支撑结构上的多个电子传感器。在该多个电子传感器中，有些是根部接触传感器，有些是根部接近度传感器。根部接触传感器包括电联接到第一导体板(例如接触传感器)的切换器、信号提取器(例如分压器、模数转换器)和电源(例如电压或电流源)。切换器被配置成在第一模式中将电源电联接到第一导体板，并且在第二模式中将信号提取器电联接到第一导体板。

在第二模式中，在第一导体板在第一模式中由电源充电后，信号提取器从第一导体板接收信号响应。微控制器接收信号响应，并将其与存储在存储器中的基线信号响应进行比较。在根部没有物理触碰第一导体板的情况下，来自第一导体板的信号响应是没有根部碰到第一导体板的基线信号响应的特征。在根部物理触碰第一导体板的情况下，来自第一导体板的信号响应是有根部碰到第一导体板的基线信号响应的特征。

根部接近度传感器包括第一导体板和电联接到地的第二导体板。接近度传感器是电联接到第一导体板、信号提取器(例如分压器、模数转换器)和电源(例如电压或电流源)的切换器。接近度传感器的切换器被配置成在第一模式中将电源电联接到第一导体板，并且在第二模式中将信号提取器电联接到第一导体板。

根部接近度传感器，第一导体板和第二导体板基本上平行并通过土壤阻抗电联接。当切换器处于第二模式时，该第一导体板与该第二导体板之间的土壤阻抗的微扰在该第一导体板处造成信号响应。微控制器从信号提取器接收信号响应，并将其与存储在存储器中的基线信号响应进行比较。在第一导体板与第二导体板之间不存在根部的情况下，来自第一导体板的信号响应是第一导体板与第二导体板之间没有根部的基线信号响应的特征。在第一导体板与第二导体板之间存在根部的情况下，来自第一导体板的信号响应是第一导体板与第二导体板之间的根部的基线信号响应的特征。在根部物理触碰第一导体板的情况下，来自第一导体板的信号响应是有根部碰到第一导体板的基线信号响应的特征。

本申请的电子传感器和设备实现了无创根部表型鉴定技术，例如用于监测植物根部生长的技术、用于基于根部生长特征选择用于育种的植物的技术、用于确定植物-微生物相互作用对根部生长特征的影响的技术、和/或用于监测土壤生物的技术。本文描述的这些技术提供了在植物生长的同时原位监测植物根部生长，提供了比现有设备(例如微型根管)更高的rsa监测分辨率，并且提供了适合于现场使用的低成本解决方案，其对植物生长的干扰最小。

图1是示出无创根部表型鉴定设备100的一个实施例的图。根部表型鉴定设备100包括适于安排在邻近植物140的土壤位置中的支撑结构。在该实施例中，支撑结构是笼状结构120，其具有顶部圆形支撑件122a、中部圆形支撑件122b和底部圆形支撑件122c，该顶部圆形支撑件、中部圆形支撑件和底部圆形支撑件竖直连接到形成该支撑结构的主干的扩展竖直支撑件114和竖直支撑件110。

可以设想，可以将附加的圆形支撑122a、122b、122c添加到期望的笼状结构120。例如，笼状结构可以包括1个或更多、2个或更多、3个或更多、4个或更多、5个或更多、6个或更多、7个或更多、8个或更多、9个或更多、10个或更多、11个或更多、或12个或更多等数量的圆形支撑件122a、122b、122c。需使用的圆形支撑件122a、122b、122c的数量可能受到例如以下因素的影响：笼状圆形支撑件122a、122b、122c的期望间距和/或密度；待监测的rsa的大小、形状和/或复杂性；设备的形状和/或构型；可由本申请的微控制器容纳的输入数量等。同样，笼状结构120可以是螺旋钻或包括附接到笼状结构102上的螺旋叶片，以便于将笼状结构120埋入植物140周围的土壤中。

在一些实施例中，笼状结构120由在插入所希望土壤类型时耐受变形而不影响植物140的健康和生长的任何材料制成。例如，笼状结构120材料可以是金属(例如镀锌钢、不锈钢)、塑料(例如生物塑料)等。在一些实施例中，笼状结构120由可生物降解和/或可堆肥的材料制成，例如聚乳酸(pla)、聚-3-羟基丁酸酯(phb)、聚羟基链烷酸酯(pha)等。在一些情况下，可以利用3d打印机使用合适的热塑性塑料(例如pla等)来构造笼状结构120。在一些情况下，笼状结构120可以使用合适的热塑性塑料(例如pla等)注射成型。

根部表型鉴定设备100还包括附接到支撑结构(例如笼状结构120)的多个导体板126。例如，如图1所示，该多个导体板126可以架设在顶部圆形支撑件122a、中部圆形支撑件122b和底部圆形支撑件122c上。在一些情况下，该多个导体板126可以被架设在扩展竖直支撑件114和竖直支撑件110上，在插入土壤位置和随后的操作期间，该扩展竖直支撑件和竖直支撑件提供相对固定的定位。在一些情况下，该多个导体板126中的一个或多个可以设置在网格上并定位在竖直支撑件110和圆形支撑件122a、122b、122c之间。该多个导体板126中的每一个电联接(例如经由有线互连)到控制器130(例如微控制器)，该控制器被配置成确定根部是否物理地触碰了接触传感器。

如图1所示，根部表型鉴定设备100包括电联接到控制器130的电极138。电极138是插入土壤中的导电杆，以提供与大地接地的良好电联接。在一些实施例中，电极138由非反应性金属(例如不锈钢)或高导电性金属(例如铜)制成。

在一些实施例中，该多个导体板126中的至少一个是根部传感器的一部分，该根部传感器被配置成检测由与植物140的根部142的物理接触引起的土壤与根部之间的阻抗变化。在一些情况下，一旦根部142物理接触该多个导体板126中的至少一个，根部传感器就检测到土壤与该多个导体板126中的至少一个导体板之间的电容变化。在一些情况下，一旦根部142物理接触该多个导体板126中的至少一个，根部传感器就检测到土壤与该多个导体板126中的至少一个导体板之间的电阻变化。

如图1所示，控制器130包括通信单元(例如天线108、线缆106的i/o端口)，该通信单元被配置成向移动设备154(例如智能手机、平板电脑)发送传感数据。在一些情况下，通信单元可以通过线缆106向移动设备154发送传感数据。在一些情况下，线缆106是具有适当连接器的串行线缆，以与控制器130的通信单元和移动设备154接口。在这种情况下，通信单元包括用于发送和接收串行通信的电路(例如串行收发器等)。在一些实施例中，通信单元可以包括天线108和被配置成向移动设备154无线地(例如蓝牙、wifi)发送传感数据的电路。在这种情况下，通信单元包括用于通过无线协议发送和接收串行通信的电路(例如蓝牙收发器、wifi收发器等)。在一些实施例中，通信单元可以包括天线108和电路，该天线和电路被配置成通过蜂窝网络(例如3g、4g、lte)向蜂窝塔或移动设备154发送传感数据。在这种情况下，通信单元包括用于通过蜂窝协议发送和接收通信的电路(例如3g收发器、4g收发器、lte收发器等)。

根部表型鉴定设备100还可以包括与植物140的任何期望方面、土壤位置、和/或土壤位置处或附近的一个或多个地面条件相关联的一个或多个传感器(例如土壤传感器134、环境传感器136)。通常，土壤传感器134位于土壤内或空气/土壤界面处，环境传感器136位于土壤上方或空气/土壤界面处。例如，土壤传感器134可以被配置成确定位于植物位置处或附近的土壤一个或多个养分水平(例如磷、氮、氧、土壤湿度、温度、水分、ph等)。在一些情况下，土壤传感器134是养分传感器。在一些情况下，土壤传感器134是土壤湿度传感器、水分传感器或温度传感器。

环境传感器136被配置成确定地面上方的一个或多个外界/环境条件。在一些实施例中，环境传感器136被配置成确定与植物有关的一个或多个外界条件(例如湿度、温度、光等)。在一些情况下，环境传感器136是温度传感器或湿度传感器。在一些情况下，环境传感器136是雨水传感器或光传感器。土壤传感器134和环境传感器136都提供关于局部田地位置(例如与土壤干燥和/或肥料保持有关)的原位信息。此信息有助于育种者和种植者以特定的农田地位置作为灌溉/施肥目标，从而节约成本和能源。

提供给根部表型鉴定设备100的控制器130的电力包括一个或多个电源。例如，如图1所示，根部表型鉴定设备100可以包括附接到扩展竖直支撑件114的太阳能电池132，以向控制器130提供电力。其他合适的电源可以包括一个或多个太阳能电池、一个或多个电池或其任意组合(例如被配置成用于对电池充电的太阳能电池132)。在一些实施例中，本申请的控制器130具有激活模式和断电模式，这提供了功耗的调制。

图2a和图2b是示出带有导体板126的无创根部表型鉴定设备100的顶视图和等视图的图。如图2b所示，圆形支撑件122a、122b、122c沿着z轴彼此平行且分离地安排。圆形支撑件122a对应于笼状结构120的顶环(例如第一行)，圆形支撑件122b对应于笼状结构120的中间环(例如第一行)，圆形支撑件122c对应于笼状结构120的底环(例如第三行)。每个圆形支撑件122a、122b、122c包括多个导体板126，该多个导体板安排在环表面上或环表面周围的x-y平面上的固定空间位置处。每个根部传感器被指定一个位置，该位置具有被空间映射到控制器130的独特标识符。例如，该多个导体板126被指定为126a1-126a8、126b1-126b8、126c1-126c8等，其中“a”、“b”和“c”对应行，并且“1”-“8”对应列。每个指定的电子传感器126a1-126a8、126b1-126b8、126c1-126c8的物理位置可以容易地确定并空间映射到控制器130。

在一些实施例中，这些支撑件中的一个或多个(例如竖直支撑件110和扩展竖直支撑件114)是可移除的(例如竖直支撑件114)。如图2b所示，支撑件110已经被移除。在一些实施例中，可扩展竖直支撑件114是滑动到笼状结构120中的可移除和/或可扩展的杆。在这种情况下，附接在其上的可扩展竖直支撑件114元件可以从土壤和根部表型鉴定设备100的其余部分移除。此外，可移除的特点便于将微控制器130、太阳能板132、土壤传感器134和环境传感器136移除(例如在生长季节结束时)。应理解，每种部件一旦被去除，就可以再用于另一种植物或另一个生长季节。

应理解，支撑结构可以构造成适应导体板126的其他空间上可行的定位。例如，在一些情况下，支撑结构可以是渐缩的，使得相邻环中的导体板126的列定位在竖直方向上是偏斜的(例如定位在不同的x、y和z定位)。在一些情况下，支撑结构可以符合球体、圆锥体、柱体等的表面的轮廓。

图3a和3b是示出相对于根部142的基部以斜角倾斜的导体板126的截面的实施例的图。根部传感器位于相对于根部142的侧向(x-y平面)基部从+y方向(例如y轴)朝向+z方向(例如z轴)倾斜的位置。由于根部142相对于根部142的基部自然地成角度，因此这种构造对植物140是较低创的。从概念上来说，斜角(例如θ1、θ2)是从根部角度(例如α1、α2)稍微向下倾斜(例如朝向z轴)。这提供了沿着与导体板126的接触点342的更大表面积。例如，图3a所示的根部142具有与侧向方向(例如y轴)成根部角度α1的浅根部，并且导体板126成比根部角度α1更大的θ1角度。这种构造减小了根部142的阻碍面积，同时为根部沿着导体板126的表面342生长提供了更大的表面积。同样，图3b所示的根部142具有与侧向方向(例如y轴)成根部角度α2的浅根部，并且导体板126成比根部角度α2大的θ2角度。

一般而言，图3b中描绘的根部角度α2用于深根部，深根部位于图3a中描绘的根部角度为α1的浅根部下方。这样，表型鉴定设备100的支撑结构(例如笼状结构120)可以以各种斜角附接该多个导体板126。在一些实施例中，导体板126的倾斜角随深度(例如z轴)而变化。在一些实施例中，靠近表面的导体板126的倾斜角小于或等于位于竖直下方的导体板126的倾斜角。在一些实施例中，靠近表面的导体板126的倾斜角大于位于竖直下方的导体板126的倾斜角。

如图3a和3b所示，多个导体板126附接到支撑结构325上。支撑结构可以定位在竖直支撑件110(或扩展竖直支撑件114)与侧向支撑件(例如圆形支撑件122a、122b、122c)之间。支撑结构可以由可生物降解和/或可堆肥的材料制成，例如棉、竹、大豆蛋白织物、羊毛、天丝、木材、聚乳酸(pla)、聚-3-羟基丁酸酯(phb)、聚羟基烷酸酯(pha)等。支撑结构可以由非反应性金属(例如不锈钢)或高导电性金属(例如铜、镀锌钢等)制成。应理解，导体板126与非反应性金属或高导电性金属电绝缘。在一些实施例中，支撑结构325是网格，其可以由包围开放空间的缠绕物(例如绳索、线或金属丝)制成。开放空间为根部142提供了一条不受阻碍地生长的路径。

图4a和4b是示出根部接触传感器400的实施例的电路图，该根部接触传感器被配置成确定根部142是否与根部导体板126接触。根部接触传感器400包括电联接到第一导体板452的切换器406、电源402、信号提取器404和微处理器410。第一导体板452是位于土壤中的导电板。第一导体板452可以由非反应性金属(例如不锈钢)或高导电性金属(例如铜、镀锌钢等)制成。如图1所示，将电极138插入土壤中，以提供与大地接地的良好电联接。这样，土壤阻抗416提供用于电荷从第一导体板452通过土壤流向电极138的渠道。施加到第一导体板452的电荷可以根据土壤的电特性(例如阻抗416)而累积或耗散。例如，对于潮湿的盐性土壤，阻抗可能较低(例如电阻率约为10ω-m)，而对于干燥的盐性土壤，阻抗可能较高(例如电阻率约为1kω-m)。同样，对于非常干燥的土壤，阻抗可能更高(例如电阻率在1kω-m到10kω-m之间)。

应理解，大地接地和框架接地可以具有不同的电压电势(例如v大地≠v框架)。也就是说，即使在电导线使框架接地对大地接地短路的情况下，电导线连接也具有非零线路阻抗422。在一些接地不良的情况下，电极138可以定位在框架接地上，而不是图4a和4b所示的大地接地上。

切换器406被配置成在第一模式与第二模式之间切换。在第一模式中，电源402能够向第一导体板452提供电荷。如图4a所示，电源402电联接到第一导体板452。在该构型中，由于第一导体板452与电极138之间的非零阻抗(例如电阻率)，电荷(例如电压电势)发生累积。在第二模式中，信号提取器404能够捕获信号响应。在该构型中，电源402与第一导体板452电分离，而信号提取器404与第一导体板452电联接。进而，当电子从电极138的大地接地通过土壤流向第一导体板452时，电荷随时间耗散。

在一些实施例中，切换器406可以是电联接到微控制器410并由该微控制器控制的多路复用器。多路复用器便于与多个导体板126电联接以共享输出(例如电联接到电源402和信号提取器402)。例如，根部表型鉴定设备100的微控制器410可以包括控制线420，以控制将多个导体板126电联接到单个电源402或将多个导体板126电联接到单个信号提取器404的多路复用器(例如切换器406)的切换。在一些实施例中，切换器406是电联接到微控制器410并由该微控制器控制的继电器。

信号提取器404被配置成提取(例如捕获)第一导体板452处的信号响应。在切换器406的第二模式中，随着电荷耗散，信号提取器404随时间捕获第一导体板452处的电压，这产生与土壤的电特性(例如土壤阻抗416)成比例的信号响应。在一些实施例中，信号提取器是分压器，其中提取的电压是阻抗比(例如vo＝z1/(z1+z2)×vin)。在一些实施例中，信号提取器404是被配置成将信号响应转换为数字等效物的模拟-数字转换器(adc)。在这样的实施例中，adc可以被配置成用于数字地捕获信号响应。应理解，从adc提取的信号(例如电压)是相对于控制器130的框架接地的，这对于多个导体板126是公共的。

在一些实施例中，信号提取器404可以被配置成以预定(例如周期性)间隔将提取的信号响应存储在计算机可读介质/存储器408中。例如，在一些情况下，信号提取器404可以每五分钟存储一个信号响应，该信号响应可以被聚集或检索用于进一步处理。

根部接触传感器400还可以包括微控制器410，该微控制器被配置成从信号提取器404接收原始响应信号。如图4a所示，微控制器410包括信号处理器412，该信号处理器接收并调节适于比较的原始响应信号。例如，原始响应信号可能具有高频噪声，并且信号处理器412可以应用低通滤波器(例如巴特沃斯(butterworth)滤波器、切比雪夫(chebyshev)滤波器、考尔(cauer)滤波器等)来调节信号响应。

信号处理器412还被配置成从计算机可读介质/存储器408检索基线信号响应，并将信号响应的部分与基线信号响应的部分进行比较。基线信号响应是根部接触传感器400在与植物所在地点条件类似的条件下的信号响应。例如，在一种情况中，土壤传感器134可以检测指定温度的土壤电阻率。进而，信号处理器412可以从计算机可读介质/存储器408检索(例如查询数据库)具有相似电阻率和温度的土壤的基线响应信号，以与经调节的信号响应进行比较。应理解，在确定基线响应信号时，也可以应用附加的土壤特征，例如盐度、通气性等。在一些实施例中，土壤传感器134是电联接到微控制器410的土壤湿度传感器或温度传感器。在一些实施例中，环境传感器136是电联接到微控制器410的湿度传感器或温度传感器。

在一些实施例中，基线响应信号由来自导体板126的经聚集的响应信号确定。例如，在植物生长的早期阶段(例如在根部发育之前)，可以基于土壤特征存储和聚集信号响应样本。一般而言，基线信号响应表示在类似条件(例如盐度、电阻率、温度、通气性等)下，在没有根部142与第一导体板452接触的情况下土壤中导体板126的信号响应。

微控制器410包括确定器414，其将经调节的信号响应与基线信号响应进行比较，以确定是否存在根部142。如图4a所示，根部142靠近第一导体板452，但它不物理接触导体板354。这样，第一导体板452上的电荷不分布在根部142上，该根部提供用于耗散的附加电路径(例如根部阻抗418)。相反，电荷被限制在第一导体板452上以通过土壤(例如土壤阻抗)耗散到第一导体板452上。电荷的耗散具与基线信号响应足够相似的特征信号响应曲线。

确定器414将经调节的信号与基线信号进行比较。在图4a所示的实施例中，确定器414确定没有检测到根部142，因为经调节的响应信号与基线信号响应(例如没有根部存在的信号响应)足够相似。在一些实施例中，确定器414是数字比较器，其被配置成确定经调节的信号响应的部分与基线信号响应的部分之间的差是否超过阈值。在一种情况中，基线信号响应的一部分可以是与经调节的信号响应的峰值(例如最大值或相对最大值)对应的峰值(例如最大值或相对最大值)。在这种情况下，对于超过阈值(例如基线信号的峰值的90％)的经调节的信号响应的峰值，确定器414可以确定没有检测到根部。

如图4b所示，根部142与第一导体板452物理接触。这样，第一导体板452上的电荷分布在根部142各处。电荷的分布为耗散提供了附加的电路径(例如根部阻抗418)。在此实施例中，电荷不再被限制在第一导体板452上通过土壤(例如土壤阻抗416路径)耗散。相反，电荷沿着根部142分布(例如根部阻抗416路径)，这改变了基线信号响应的特征信号响应曲线。

确定器414将经调节的信号与基线信号进行比较，并且确定器414确定：来自与第一导体板452物理接触的根部142的电微扰产生与基线信号响应(例如不存在根部的信号响应)不同的响应信号。在一些实施例中，确定器414是数字比较器，其被配置成确定经调节的信号响应的部分与基线信号响应的部分之间的差是否不超过阈值。例如，当响应信号的峰值不超过阈值(例如基线信号的峰值的90％)时，确定器414可以确定检测到根部。也就是说，将根部存在与确定信号响应超过阈值相关联。应理解，基线信号响应可以包括与第一导体板452物理接触的根部的信号响应。在这种情况下，当响应信号类似于基线信号时，确定器414可以确定检测到根部。

如图4a和4b所示，根部接触传感器400还可以包括电联接到微控制器410的计算机可读介质/存储器408。计算机可读介质/存储器408被配置成存储与信号提取器相关联的数据。在一些实施例中，计算机可读介质/存储器408是ram、rom、eeprom等。计算机可读介质/存储器408可以包括针对植物所在地点的各种土壤条件的基线信号响应的数据库，该土壤条件例如是电阻率、盐度、含水量、温度、通气性、团聚性(例如岩石、粘土、沙子)等。

图5a-5c是示出具有多个导体板126的无创根部表型鉴定设备100的实施例的图，该多个导体板随时间500a、500b、500c在植物根系的不同生长阶段围绕植物。如图5a-5c所示，根部表型鉴定设备100包括附接(例如架设)到笼状结构120的多个导体板126，并且类似于图1所示的根部表型鉴定设备100。在时间500a，种子540被播种在指定位置的土壤中的已知深度处。根部表型鉴定设备100埋在土壤位置周围，使得种子540的位置位于或接近笼状结构120的近似中心。在一些实施例中，根部表型鉴定设备100可以在图5a所示的时间500a之前被掩埋。例如，多个根部表型鉴定设备100可以在一个时刻沿着一行安装，并且单独的种子540可以在稍后的时刻使用自动播种机播种在每个根部表型鉴定设备100的中心处或中心附近。在一些情况下，可以在已经播种了种子540之后掩埋根部表型鉴定设备100，而不干扰根部142。例如，根部表型鉴定设备100可以在植物140处于类似于图5b所示的生长阶段时被掩埋。

图5b表示比图5a晚的时间，其中种子540已经发芽并且已经生长成小植株，具有从已知播种位置发出的相对较小的根部142。在这种情况下，根部142在图5a中已经播种了种子540的原点处从植物140发出。如图5b所示，根部表型鉴定设备100没有检测到与第一导体板452接触的根部142，因为根部没有触碰导体板126。

图5c表示比图5b晚的时间，其中植物140和根部142已经生长。在这种情况下，根部142已经生长到足以接触附接到顶部圆形结构122a和中间圆形结构122b的各个导体板126。在这种情况下，导体板126b2和导体板126b8与根部142物理接触。进而，提取的信号响应被调节并与基线信号响应进行比较，并且微控制器410确定根部142在指定时间(例如时间戳)在与导体板126b2和导体板126b8相关联的位置处与第一导体板452接触。

在一些情况下，导体板126在行126b下方没有检测到根部142(例如在126c、126d等处没有根部)。在这种情况下，根部表型鉴定设备100可以确定根部的近似生长速率(例如到导体板126b2、126b8的距离除以初始检测的时间)以及根系的近似深度。

图6a是示出用于具有多个平行导体板626的无创根部表型鉴定设备的传感器阵列625的一部分的侧视图的图。在该实施例中，每个平行导体板626被指定一个空间位置，该空间位置具有映射到控制器130的独特标识符。该多个平行导体板626被指定为626a1-626a5、626b1-626b5、626c1-626c5等，其中“a”、“b”和“c”对应行，并且“1”-“5”对应列。根据该映射，控制器130可以在空间上映射检测到的根部142。

应理解，支撑结构可以构造成适应平行导体板626的其他空间上可行的定位。例如，在一些情况下，支撑结构可以是渐缩的，使得相邻圆形结构中的平行导体板626的列位置在竖直方向上偏斜(例如定位在不同的x、y和z定位)。在一些情况下，支撑结构连同架设的传感器阵列625可以符合球形、圆锥形、圆柱形等的轮廓。

如图6a所示，平行导体板626包括与第二导体板654邻近并基本上平行的第一导体板452。第一导体板452与第二导体板654之间的区域填充有土壤。如上所述，第一导体板452与第二导体板654之间的阻抗可以基于土壤的电特性(例如阻抗416)而变化，诸如土壤类型(例如粘土、沙子、骨料等)、含水量、和养分(例如磷酸盐、硝酸盐、钾、盐类等)。如图6a所示，对于每个平行导体板626，第一导体板452和第二导体板654侧向定向(例如沿着y轴)。在一些实施例中，用于一个或多个电子传感器的第一导体板452和/或第二导体板654可以相对于根部142的基部以斜角倾斜，如图2a和2b所示。在一些实施例中，用于一个或多个电子传感器的第一导体板452和第二导体板654可以沿侧边定位(例如沿着z轴)。

应理解，第一导体板452与第二导体板654之间的间隙可以在距离和横截面积上发生变化。在一些实施例中，第一导体板452与第二导体板654之间的间隙具有小于或等于约1cm²的横截面积。在一些实施例中，第一导体板452与第二导体板654之间的距离等于或大于约1mm。

图6b是示出具有传感器阵列625的一部分的无创根部表型鉴定设备600的等视图，其中多个平行导体板626被架设在圆形支撑件122a、122b、122c之间。在该实施例中，支撑结构是笼状结构120，其具有竖直(例如沿着z轴)连接到扩展竖直支撑件114的顶部圆形支撑件122a(例如第一行)、中间圆形支撑件122b(例如第二行)和底部圆形支撑122c(例如第三行)，形成支撑结构的主干。圆形支撑件122a、122b、122c沿着z轴彼此平行且分离地安排。尽管未示出，根部表型鉴定设备600可以包括用于附加支撑的竖直支撑件110。

如图6b所示，传感器阵列625的一部分位于底部圆形支撑件122c与中间圆形支撑件122b之间。同样，传感器阵列625’的一部分的复制品位于顶部圆形支撑件122a与中间圆形支撑件122b之间。在一些实施例中，传感器阵列625的一部分围绕圆形支撑件122a、122b、122c延伸，以围成围绕植物140的圆柱形表面。在一些实施例中，传感器阵列625的一部分被附接到底部圆形支撑件122c的圆形区段以包围圆柱形区段的底部圆形部分。在一些实施例中，附加传感器阵列625附接到圆形支撑件122a、122b、122c外部的一个或多个第二圆形支撑件。

与图1所示的实施例中相同，无创根部表型鉴定设备600的笼状结构120由在插入所希望土壤类型时耐受变形而不影响植物140的健康和生长的任何材料制成。例如，笼状结构120材料由金属(例如镀锌钢、不锈钢)、塑料(例如生物塑料)等制成。在一些实施例中，笼状结构120由可生物降解和/或可堆肥的材料制成，例如聚乳酸(pla)、聚-3-羟基丁酸酯(phb)、聚羟基链烷酸酯(pha)等。在一些情况下，可以利用3d打印机使用合适的热塑性塑料(例如pla等)来构造笼状结构120。在一些情况下，笼状结构120可以使用合适的热塑性塑料(例如pla等)注射成型。

尽管图6a中未描绘竖直支撑件110，但应了解，在一些实施例中，竖直支撑件110可附接到圆形支撑件122a、122b、122c，以向无创根部表型鉴定设备600提供附加的强度和刚度。同样，图1的无创根部表型鉴定设备100中描绘的其他部件可以在根部表型鉴定设备600中实现。例如，应理解，无创根部表型鉴定设备600的实施例可以包括太阳能电池132、土壤传感器134、环境传感器136等。

图7a和7b是示出在第一导电板452与第二导电板654之间不存在根部142的情况下根部接近度传感器700的实施例的电路图。根部接近度传感器700包括第一导体板452和电联接到地(例如框架接地)的第二导体板。第二导体板654邻近第一导体板452并且基本上平行于第一导体板452。第一导体板452和第二导体板是位于土壤中的导电板，如图7a所示。第一导体板452和第二导体板654可以由非反应性金属(例如不锈钢)或高导电性金属(例如铜、镀锌钢等)制成。在该实施例中，电极138被插入土壤中以提供与大地接地的良好电联接，如图1所示。这样，土壤阻抗416提供用于电荷从导体板654通过土壤流向电极138的渠道。施加到第一导体板452的电荷可以根据土壤的电特性(例如阻抗416)而累积或耗散。

应理解，大地接地和框架接地可以具有不同的电压电势(例如v大地≠v框架)。也就是说，即使在电导线使框架接地对大地接地短路的情况下，电导线连接也具有非零线路阻抗422。在一些接地不良的情况下，电极138可以定位在框架接地上，而不是图7a所示的大地接地上。

根部接近度传感器700进一步包括电联接到第一导体板452的切换器406、电源402、信号提取器404和微处理器410。切换器406被配置成在第一模式与第二模式之间切换。在第一模式中，电源402能够向第一导体板452提供电荷。如图7a所示，电源402电联接至第一导体板452，并且因此，由于第一导体板452与第二导体板454之间的非零土壤阻抗416(例如电阻率)以及第一导体板452与电极138之间的土壤阻抗416(例如电阻率)，将累积少量电荷(例如电压电势)。

在第二模式中，信号提取器404能够捕获信号响应。在该构型中，电源402与第一导体板452电分离，而信号提取器404与第一导体板452电联接。这样，随着电子在土壤中穿过第二导体板654与第一导体板452之间的间隙流动，以及从电极138的大地接地通过土壤到达导体板654，电荷随时间耗散。

在一些实施例中，切换器406可以是电联接到微控制器410并由该微控制器控制的多路复用器。多路复用器便于电联接到多个平行导体板626(图6a和6b所示)以共享端子(例如电联接到电源402和电联接到信号提取器402)。例如，根部表型鉴定设备100的微控制器410可以包括控制线420，以控制将多个平行导体板626电联接到单个电源402或将多个平行导体板626电联接到单个信号提取器404的多路复用器(例如切换器406)的切换。在一些实施例中，切换器406是电联接到微控制器410并由该微控制器(例如经由控制线420)控制的继电器。

信号提取器404被配置成捕获第一导体板452处的信号响应。在切换器406的第二模式中，信号提取器404在电荷耗散的时刻捕获第一导体板452处的电压，这产生与土壤的电特性(例如土壤阻抗416)成比例的瞬态信号响应。在一些实施例中，信号提取器是分压器，其中提取的电压是阻抗比(例如vo＝z1/(z1+z2)×vin)。在一些实施例中，信号提取器404是被配置成将信号响应转换为数字等效物的adc。在这样的实施例中，adc可以被配置成用于数字地捕获信号响应。应理解，来自adc的信号(例如电压)是相对于控制器130的框架接地而提取的，这对于多个平行导体板626是公共的。

在一些实施例中，信号提取器404可以被配置成以预定(例如周期性)间隔将提取的信号响应存储在计算机可读介质/存储器408中。例如，在一些情况下，信号提取器404可以每五分钟存储一个信号响应，该信号响应可以被聚集或检索用于进一步处理。

根部接近度传感器700还可以包括微控制器410，该微控制器被配置成从信号提取器404接收原始响应信号。如图7a所示，微控制器410包括信号处理器412，该信号处理器接收并调节适于比较的响应信号。例如，原始响应信号可能具有高频噪声。在这种情况下，信号处理器412可以应用低通滤波器(例如巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、考尔滤波器等)来调节信号响应。

信号处理器412还被配置成从计算机可读介质/存储器408检索一个或多个基线信号响应，并将信号响应的部分与基线信号响应的部分进行比较。基线信号响应是根部接近度传感器700在与植物所在地点条件类似的条件下的信号响应。例如，在一种情况中，土壤传感器134可以检测指定温度下的土壤电阻率。进而，信号处理器412可以从计算机可读介质/存储器408检索(例如查询数据库)具有相似电阻率和温度的土壤的基线响应信号，以与经调节的信号响应进行比较。应理解，在确定基线响应信号时，也可以应用附加的土壤特征，例如盐度、通气性等。在一些实施例中，土壤传感器134是电联接到微控制器410的土壤湿度传感器或温度传感器。在一些实施例中，环境传感器136是电联接到微控制器410的湿度传感器或温度传感器。

在一些实施例中，基线响应信号由从该多个平行导体板626提取的经聚集的响应信号确定。例如，在植物生长的早期阶段(例如在根部伸长之前)，可以基于土壤特征存储和聚集信号响应样本。一般而言，基线信号响应表示在类似条件(例如盐度、电阻率、温度、通气性等)下，在第一导体板452与第二导体板654之间没有根部142的情况下土壤中平行导体板626的信号响应。

微控制器410包括确定器414，其将经调节的信号响应与基线信号响应进行比较，以确定是否存在根部142。如图7a所示，根部142接近第一导体板452和第一导体板452，但不在第一导体板452和第二导体板654之间。在这种情况下，根部142没有被在根部142的一侧被吸引到带电荷的第一导体板452的电子和在根部142的相反侧被带电荷的第一导体板452排斥的电子极化。因此，土壤的阻抗(例如介电常数和渗透率)与没有植物根部的土壤相比基本保持不变。

如图7a所示，电荷被限制在第一导体板452上以通过土壤(例如土壤阻抗)耗散。因此，如图7b所示，第一导体板452与第二导体板654之间的土壤的总阻抗是土壤的电容c土壤与根部的总电容c根部并联。在这样的实施例中，第一导体板452将具有与基线信号响应足够相似的特征信号响应曲线。

确定器414将经调节的信号与基线信号进行比较。在图7a所示的实施例中，确定器414确定在第一导体板452与第二导体板654之间没有检测到根部142，因为经调节的响应信号与基线信号响应(例如没有根部存在的信号响应)足够相似。在一些实施例中，确定器414是数字比较器，其被配置成确定经调节的信号响应的部分与基线信号响应的部分之间的差是否超过阈值。在一种情况中，基线信号响应的一部分可以是与经调节的信号响应的峰值(例如最大值或相对最大值)对应的峰值(例如最大值或相对最大值)。在这种情况下，对于超过阈值(例如基线信号的峰值的90％)的经调节的信号响应的峰值，确定器414可以确定没有检测到根部。

如图7a和7b所示，根部接近度传感器700可以包括电联接到切换器406、第一导体452和第二导体654的极性切换器706。极性切换器被配置成提供交换第一导体板452和第二导体板654之间的电联接的第二构型。也就是说，极性切换器706重新配置电联接，使得第一导体板452电联接到地(例如框架接地)，并且第二导体板654在第一模式中通过切换器406电联接到电源402，或者第二导体板654在第二模式中通过切换器406电联接到信号提取器404。

如图7a和7b所示，根部接近度传感器700还可以包括电联接到微控制器410的计算机可读介质/存储器408。计算机可读介质/存储器408被配置成存储与信号提取器相关联的数据。在一些实施例中，计算机可读介质/存储器408是ram、rom、eeprom等。计算机可读介质/存储器408可以包括针对植物所在地点的各种土壤条件的基线信号响应的数据库，该土壤条件例如是电阻率、盐度、含水量、温度、通气性、团聚性(例如岩石、粘土、沙子)等。

图8a和图8b是示出在第一导电板452与第二导电板654之间存在根部142的情况下根部接近度传感器700的实施例的电路图。接近度传感器700具有与上述图7a和7b中描述的相同的部件。如图8a所示，根部142位于第一导体板452与第二导体板654之间，但不与第一导体板452或第二导体板654接触。在根部142位于第一导体板452和第二导体板654之间的情况下，根部142被位于根部142最靠近第一导体板452的一侧的带正电荷的第一导体板452所吸引的电子以及位于根部142最靠近第二导体板654的相反侧上的带负电荷的第二导体板654所排斥的电子极化。进而，极化根部142改变总体阻抗特征。更具体地，第一导电板452与第二导电板654之间土壤的没有根部142(例如ds之间)的一部分的有效阻抗特征保持不变，而第一导电板452与第二导电板654之间土壤的具有根部142(例如dr之间)的一部分的有效阻抗特征改变。

在这种情况下，第一导电板452与第二导电板654之间土壤的具有根部142(例如在dr之间)的部分提供了穿过根部阻抗418的交替路径，该根部阻抗是有效阻抗，其特征在于电子从第二导电板654流向极化根部142然后从极化根部142流向第一导电板452的交替路径。因此，如图8b所示，第一导体板452与第二导体板654之间的土壤的总阻抗变成土壤的电容c土壤与根部的总电容c根部并联、与土壤的电阻r土壤并联、与根部的总电阻r根部并联。在一些实施例中，第一导电板452和第二导电板654之间的总阻抗减小。

应理解，大地接地和框架接地可以具有不同的电压电势(例如v大地≠v框架)。也就是说，即使在电导线使框架接地对大地接地短路的情况下，电导线连接也具有非零线路阻抗422。在一些接地不良的情况下，电极138可以定位在框架接地上，而不是图8a所示的大地接地上。

还应理解，土壤的电容c土壤、根部的总电容c根部、土壤的电阻r土壤和根部的总电阻r根部可以基于电阻率、盐度、含水量、温度、通气性、团聚性(例如岩石、粘土、沙子)等而变化。同样，在图7a所示的构型之间土壤的电容c土壤与土壤的电阻r土壤并联的值可能不同于在图8a所示的构型中土壤的电容c土壤与土壤的电阻r土壤并联的值。

因为电荷不再被限制在第一导体板452上通过土壤(例如土壤阻抗)耗散，所以第一导体板452具有不同于基线信号响应的特征信号响应曲线，其类似于图7a和7b的响应。在图8a和8b的实施例中，信号处理器410将经调节的信号与基线信号进行比较，并且确定器414确定在第一导体板452与第二导体板654之间检测到根部142，因为经调节的响应信号不同于基线信号响应(例如不存在根部的信号响应)。在一些实施例中，确定器414是数字比较器，其被配置成确定经调节的信号响应的部分与基线信号响应的部分之间的差是否超过阈值。例如，当响应信号的峰值超过阈值(例如基线信号的峰值的90％)时，确定器414可以确定检测到根部。在另一种情况中，当响应信号的峰值下降到阈值以下(例如基线信号的峰值的90％)时，确定器414可以确定检测到根部。

图9a和9b是示出根部接近度传感器的实施例的电路图，该根部接近度传感器被配置成在根部碰到至少一个导体板的情况下确定在第一导体板452与第二导体板654之间是否存在根部。接近度传感器700具有与上述图7a、7b、8a和8b中描述的相同的部件。如图9a所示，根部142与第一导体板452接触。这样，第一导体板452上的电荷分布在根部142各处。电荷的分布为耗散提供了附加的电路径(例如根部阻抗418)。在此实施例中，电荷不再局限于第一导体板452来通过土壤(例如土壤阻抗416路径)耗散。相反，电荷沿着根部142分布(例如根部阻抗416路径)，这改变了基线信号响应的特征信号响应曲线。

因此，如图8b所示，第一导体板452与第二导体板654之间的土壤的总阻抗变成土壤的电容c土壤与根部的总电容c根部并联、与土壤的电阻r土壤并联、与根部的总电阻r根部并联。在一些实施例中，第一导电板452和第二导电板654之间的总阻抗减小。应理解，土壤的电容c土壤、根部的总电容c根部、土壤的电阻r土壤和根部的总电阻r根部可以基于电阻率、盐度、含水量、温度、通气性、团聚性(例如岩石、粘土、沙子)等而变化。同样，在图8a所示的构型之间c土壤与根部的总电容c根部并联、与土壤的电阻r土壤并联、与根部的总电阻r根部并联的值可以不同于图9所示构型的c土壤与根部的总电容c根部并联、与土壤的电阻r土壤并联、与根部的总电阻r根部并联的值。

应理解，大地接地和框架接地可以具有不同的电压电势(例如v大地≠v框架)。也就是说，即使在电导线使框架接地对大地接地短路的情况下，电导线连接也具有非零线路阻抗422。在一些接地不良的情况下，电极138可以定位在框架接地上，而不是图9a和9b所示的大地接地上。

如图7a、7b、8a和8b所示，根部接近度传感器700可以可选地包括电联接到切换器406、第一导体452和第二导体654的极性切换器706。极性切换器被配置成提供交换第一导体板452和第二导体板654之间的电联接的第二构型。也就是说，极性切换器706重新配置电联接，使得第一导体板452电联接到地(例如框架接地)，并且第二导体板654在第一模式中电连接到电源402或者通过切换器406在第二模式中电连接到信号提取器404。

图9b示出了一种情况，其中极性切换器706被扳动，使得在切换器406的第一模式中第一导体板452电联接到地(例如框架接地)并且第二导体板654电联接到电源402，同时根部142与第一导体板452接触。在这种情况下，来自第一导体板452的电子分布在根部142各处，导致根部接地(或近似于接地)。已经发现，电子沿着根部142的分布进一步有助于接地，并且对附加的电分布路径(例如根部阻抗418)影响微弱。原因在于正电荷被限制在第二导体板654上以通过土壤(例如土壤阻抗416路径)耗散，这基本上类似于来自基线信号响应(例如没有根部142的信号响应)的特征信号响应曲线。

与图9b的构型相比，来自图9a的构型的信号曲线的不同之处在于，它提供对称度量。也就是说，如图9a所示，与第一导体板452接触的根部142提供根部存在的信号曲线特征。如图9b中配置的极性切换器706不提供根部存在的信号曲线特征。同样，当极性切换器706被配置成使得第一导体板452电联接到地(例如框架接地)并且第二导体板654在第一模式中电连接到电源402或者在第二模式中通过切换器406电连接到信号提取器404时，与第二导体板654接触的根部142提供根部存在的信号曲线特征。而极性切换器706被配置成使得在第二模式中在切换器406的第一模式中第二导体板654电联接到地(例如框架接地)并且第一导体板452电连接到电源402，这基本上不提供根部存在的信号曲线特征。

图10a-10c是示出具有多个平行导体板626的无创根部表型鉴定设备600的实施例的图，该多个平行导体板随时间1000a、1000b、1000c在植物根系的不同生长阶段围绕植物。如图10a-10c所示，根部表型鉴定设备600包括附接到传感器阵列625的一部分的多个平行导体板626，该多个平行导体板围绕圆形支撑件122a、122b、122c延伸，以围成围绕植物140的柱形表面。传感器阵列625的部分被架设在笼状结构120上，并且类似于图6所示的根部表型鉴定设备600。尽管描绘了传感器阵列625的单个部分，但是传感器阵列625的部分旨在布置在竖直支撑件与圆形支撑件122a、122b、122c之间的每个空间中。

在时间1000a，种子540播种在指定位置的土壤中的已知深度处。根部表型鉴定设备600埋在该土壤位置周围，使得种子540的位置位于或接近笼状结构120的近似中心。在一些实施例中，根部表型鉴定设备600可以在图10a所示的时间1000a之前被掩埋。例如，多个根部表型鉴定设备600可以在一个时刻沿着一行安装，并且单独的种子540可以在稍后的时刻使用自动播种机播种在每个根部表型鉴定设备600的中心处或中心附近。在一些情况下，可以在已经播种了种子540之后掩埋根部表型鉴定设备600，而不干扰根部142。例如，根部表型鉴定设备600可以在植物140处于类似于图5b所示的生长阶段时被掩埋。

图10b表示比图10a晚的时间，其中种子540已经发芽并且已经生长成小植株，具有从已知播种位置发出的相对较小的根部142。在这种情况下，根部142在图10a中已经播种了种子540的原点处或附近从植物140发出。如图10b所示，根部表型鉴定设备600没有检测到根部142的存在，因为根部没有触碰接近度传感器700的第一导体板452或第二导体板654。同样，根部142没有生长在接近度传感器的第一导体板452与第二导体板654之间。

图10c表示比图10b晚的时间，其中植物140和根部142已经生长。在这种情况下，根部142已经生长到足以碰触传感器阵列625的至少一部分的接近度传感器的第一导体板452或第二导体板654。同样，根部142已经生长到足以布置在平行导体板626或传感器阵列625的至少一部分的第一导体板452与第二导体板654之间。在这种情况下，平行导体板626a1具有触碰第二接触板654的根部142。另外，平行导体板626a1在第一导体板452与第二导体板654之间具有根部142。因此，提取的信号响应被调节(例如经由信号处理器412)并与基线信号响应(例如经由确定器414)进行比较，并且由微控制器410确定根部142在指定时间(例如时间戳)接近平行导体板626a1和平行导体板626a5。

在一些情况下，接近度传感器700的平行导体板626在平行导体板626a1-x下方没有检测到根部142(例如平行导体板626b1-x、626c1-x等处没有根部)。在这种情况下，根部表型鉴定设备600可以确定根部的近似生长速率(例如到平行导体板626a1、626a5的距离除以初始检测的时间)以及根系的近似深度。

图11是示出无创根部表型鉴定设备1100的等视图的图，其中该设备具有接近度传感器阵列625和架设在桩1120上的多个接近度传感器。桩1120是适于安排在邻近植物140的土壤位置中的支撑结构。在该实施例中，支撑结构是具有竖直连接在竖直支撑件1110之间的侧向支撑件1122的平面结构，其形成支撑结构的主干。在一些实施例中，支撑结构由在插入所希望土壤类型时耐受变形而不影响植物140的健康和生长的任何材料制成。例如，桩1120的支撑结构的材料可以是金属(例如镀锌钢、不锈钢)、塑料(例如生物塑料)等。在一些实施例中，桩1120的支撑结构的材料由生物可降解和/或可堆肥的材料制成，例如聚乳酸(pla)、聚-3-羟基丁酸酯(phb)、聚羟基链烷酸酯(pha)等。在一些情况下，可以利用3d打印机使用合适的热塑性塑料(例如pla等)来构造桩1120的支撑结构。在一些情况下，桩1120的支撑结构可以使用合适的热塑性塑料(例如pla等)注射成型。

根部表型鉴定设备1100进一步包括附接到支撑结构(例如桩1120的支撑结构)的多个平行导体板626和/或导体板126。例如，该多个传感器是架设在相邻的侧向支撑1122之间的多个平行的导体板626。在一些实施例中，该多个传感器是附接到侧向支撑件1122的多个导体板126。在一些实施例中，该多个传感器是附接到竖直支撑件1110的多个导体板126。在一些实施例中，该多个传感器是多个平行导体板626，其中第一导体板452和第二导体板654附接到竖直支撑件1110和/或侧向支撑件1222。扩展竖直支撑1110在插入土壤位置和随后的操作期间提供相对固定的定位。在一些情况下，多个导体板126中的一个或多个可以设置在位于竖直支撑件1110与侧向支撑件1222之间的网格上。

如图11所示，桩1120相对于根部142的基部倾斜了角度θ2。在一些实施例中，导体板126定向成基本平行于根部142的基部。在一些实施例中，导体板126相对于根部142的基部以斜角倾斜。也就是说，导体板126位于相对于根部142的侧向(x-y平面)基部从+y方向(例如y轴)朝向+z方向(例如z轴)倾斜的位置。

该多个导体板126中的每一个电联接(例如经由有线互连)到控制器130(例如微控制器)，该控制器被配置成确定根部是否存在于导体板126附近。如图11所示，控制器130包括通信单元(例如天线108、线缆106的i/o端口)，该通信单元被配置成向移动设备154(例如智能手机、平板电脑)发送传感数据。在一些情况下，通信单元可以通过线缆106向移动设备154发送传感数据。在一些情况下，线缆106是具有适当连接器的串行线缆，以与控制器130的通信单元和移动设备154接口。在这种情况下，通信单元包括用于发送和接收串行通信的电路(例如串行收发器等)。在一些实施例中，通信单元可以包括天线108和被配置成向移动设备154无线地(例如蓝牙、wifi)发送传感数据的电路。在这种情况下，通信单元包括用于通过无线协议发送和接收通信的电路(例如蓝牙收发器、wifi收发器等)。在一些实施例中，通信单元可以包括天线108和电路，该天线和电路被配置成通过蜂窝网络(例如3g、4g、lte)向蜂窝塔或移动设备154发送传感数据。在这种情况下，通信单元包括用于通过蜂窝协议发送和接收通信的电路(例如3g收发器、4g收发器、lte收发器等)。

应理解，根部表型鉴定设备1100还可以包括与植物140的任何期望方面、土壤位置、和/或土壤位置处或附近的一个或多个地面条件相关联的一个或多个传感器(例如土壤传感器134、环境传感器136)。类似地，应理解，根部表型鉴定设备1100可以包括附加的桩1120以围绕植物140。在一些实施例中，桩包括引导相邻桩1120的定位的互锁机构。在一些实施例中，桩形成围绕植物140的笼状结构。

图12是示出根部表型鉴定设备1200处的不同装置/部件之间的数据流的概念数据流图。根部表型鉴定设备1200用于监测土壤位置中植物根部的生长并且可以是图1所示的根部表型鉴定设备100、图6所示的根部表型鉴定设备600或图11所示的根部表型鉴定设备1100。

如图12所示，根部表型鉴定设备1200的控制器130包括电源402、信号提取器404、微控制器410、计算机可读介质/存储器408、通信单元1240和i/o连接器1250。微控制器410进一步包括信号处理器412、确定器414和定时器/时钟1220。

通信单元1240包括无线单元1242a和有线单元1242b。无线单元1242a具有被配置成用于向移动设备154(例如智能手机、平板电脑)发送传感数据的发送器1246a和接收器1244a。通信单元1240可以包括天线108，该天线与发送器1246a和接收器1244a一起可以无线地(例如蓝牙、wifi)向移动设备154发送传感数据。在一些实施例中，发送器1246a和接收器1244a经由无线协议发送和接收通信。在一些实施例中，发送器1246a和接收器1244a通过蜂窝网络(例如3g、4g、lte)经由蜂窝协议发送和接收通信。有线单元1242b具有被配置成通过线缆106向移动设备154发送传感数据的发送器1246b和接收器1244b。在一些实施例中，线缆106是具有适当连接器的串行线缆，以与i/o连接器1250和移动设备154交接。在一些实施例中，发送器1246b和接收器1244b可以发送和接收串行通信。

计算机可读介质/存储器408可以存储适用于土壤条件的一个或多个基线信号响应1232(例如第1信号到第m信号)。例如，一个基线信号响应1232(例如第1信号)可以是阻抗可能较低(例如电阻率约为10ω-m)的潮湿的盐性土壤的信号响应。另一个基线信号响应1234(例如第2信号)可以是阻抗可能较高(例如电阻率约为1kω-m)的干燥土壤的信号响应。另一基线信号响应1232(例如第1信号)可以是阻抗可能更高(例如电阻率在1kω-m至10kω-m之间)的非常干燥的土壤的信号响应。

计算机可读介质/存储器408还可以存储适用于土壤条件的一个或多个信号响应1234(例如第1信号至第n信号)。例如，一个信号响应1234(例如第1个信号)可以是阻抗可能较低(例如电阻率约为10ω-m)的潮湿的盐性土壤的信号响应。另一个信号响应1234(例如第2个信号)可以是阻抗可能较高(例如电阻率约为1kω-m)的干燥土壤的信号响应。另一信号响应1234(例如第1信号)可以是阻抗可能更高(例如电阻率在1kω-m至10kω-m之间)的非常干燥的土壤的信号响应。

在一种构型中，根部表型鉴定设备1200包括用于检测土壤中植物140的根部的电子传感器。该电子传感器是(图4的)接触传感器400，其包括被配置成布置在土壤中的第一导体板452、切换器406、信号提取器404和电源402。切换器406被配置成在第一模式与第二模式之间切换。电源402电联接到切换器406，并且电源402被配置成在切换器406的第一模式中向第一导体板452提供电荷。信号提取器404电联接到切换器406，并且信号提取器404被配置成在切换器406的第二模式中在第一导体板452处捕获信号响应1234。在一些实施例中，信号提取器404是分压器。在一些实施例中，信号提取器404是模数转换器。

该电子传感器进一步包括电联接到信号提取器404的微控制器410和电联接到微控制器410的计算机可读介质/存储器408。如图12所示，微控制器410进一步包括信号处理器412、确定器414和定时器/时钟1220。存储器被配置成存储与信号提取器404相关联的数据。微控制器410的信号处理器412被配置成从信号提取器410接收信号响应1234。在一些实施例中，微控制器410的信号处理器412被配置成从计算机可读介质/存储器408检索基线信号响应1232。

在一些实施例中，微控制器410的确定器414被配置成将该信号响应与基线信号响应1232进行比较，以确定该信号响应的一部分与基线信号响应1232的一部分之间的差是否超过阈值。在这种情况下，根部142的存在与确定信号响应1232超过阈值相关联。

在另一种构型中，该电子传感器是(图7的)接近度传感器700，其进一步包括第二导体板654，该第二导体板被配置成与第一导体板452相邻并基本平行地布置在土壤中。第二导体板654电联接到地(例如大地和框架接地线)。在一些实施例中，第一导体板452与第二导体板654之间的间隙具有小于或等于约1cm²的横截面积。在一些构型中，第一导体板452与第二导体板654之间的距离等于或大于约1mm。在一些实施例中，该电子传感器进一步包括极性切换器706，该极性切换器被配置成交换第一导体板452与第二导体板654之间的电联接。

在一些实施例中，切换器406是电联接到微控制器410并由该微控制器控制的多路复用器。在一些实施例中，切换器406是电联接到微控制器410并由该微控制器控制的继电器。在一些实施例中，电子传感器进一步包括电联接到微控制器410的土壤湿度传感器(例如土壤传感器134)或温度传感器(例如环境传感器136)。在一些实施例中，该电子传感器相对于根基的侧面以斜角定向。在一些实施例中，电子传感器被附接到悬挂在支撑结构的构件(例如竖直支撑件110和圆形支撑件122a、122b、122c)之间的网格。在一些实施例中，基线信号响应1232表示在第一导体板452与第二导体板654之间没有布置根部142的情况下或者在没有与第一导体板452或第二导体板654接触的根部142的情况下土壤中的电子传感器的信号响应1234。在一些实施例中，信号响应1234以预定(例如周期性)间隔存储在计算机可读介质/存储器408中。

在另一种构型中，根部表型鉴定设备1200是用于监测土壤位置中植物140的根部的生长的电子设备。该电子设备包括适于邻近该土壤位置安排的支撑结构(例如笼状结构120、桩1120、螺旋钻)。该电子设备还包括附接到支撑结构的多个电子传感器。

该多个传感器中的至少一个是包括第一导体板452、切换器406、信号提取器404和电源402的接触传感器400。切换器406被配置成在第一模式与第二模式之间切换。电源402电联接到切换器406，并且电源402被配置成在切换器406的第一模式中向第一导体板452提供电荷。信号提取器404电联接到切换器406，并且信号提取器404被配置成在切换器406的第二模式中在第一导体板452处捕获信号响应1234。在一些实施例中，信号提取器404是分压器。在一些实施例中，信号提取器404是模数转换器。

该电子设备进一步包括电联接到信号提取器404的微控制器410和电联接到微控制器410的计算机可读介质/存储器408。如图12所示，微控制器410进一步包括信号处理器412、确定器414和定时器/时钟1220。存储器被配置成存储与信号提取器404相关联的数据。微控制器410的信号处理器412被配置成从信号提取器410接收信号响应1234。在一些构型中，微控制器410的信号处理器412被配置成从计算机可读介质/存储器408检索基线信号响应1232。

在一些实施例中，微控制器410的确定器414被配置成将该信号响应与基线信号响应1232进行比较，以确定该信号响应的一部分与基线信号响应1232的一部分之间的差是否超过阈值。在这种情况下，根部142的存在与确定信号响应1232超过阈值相关联。

在一些实施例中，该多个传感器中的至少一个是接近度传感器700，该接近度传感器进一步包括与第一导体板452邻近并基本上平行的第二导体板654。第二导体板654电联接到地(例如大地和框架接地线)。在一些实施例中，第一导体板452与第二导体板654之间的间隙具有小于或等于约1cm²的横截面积。在一些构型中，第一导体板452与第二导体板654之间的距离等于或大于约1mm。在一些实施例中，该电子设备进一步包括极性切换器706，该极性切换器被配置成交换第一导体板452与第二导体板654之间的电联接。

在一些实施例中，切换器406是电联接到微控制器410并由该微控制器控制的多路复用器。在一些实施例中，切换器406是电联接到微控制器410并由该微控制器控制的继电器。在一些实施例中，该电子设备进一步包括电联接到微控制器410的土壤湿度传感器(例如土壤传感器134)或温度传感器(例如环境传感器136)。在一些实施例中，该多个传感器中的至少一个相对于根基的侧面以斜角定向。在一些实施例中，该多个传感器中的至少一个被附接到悬挂在支撑结构的构件(例如竖直支撑件110和圆形支撑件122a、122b、122c)之间的网格。在一些实施例中，基线信号响应1232表示在第一导体板452与第二导体板654之间没有布置根部142的情况下或者在没有与第一导体板452或第二导体板654接触的根部142的情况下土壤中的电子传感器的信号响应1234。在一些实施例中，信号响应1234以预定(例如周期性)间隔存储在计算机可读介质/存储器408中。

图13是带有多个传感器的植物表型鉴定设备检测根部142并确定根部性状的流程图1300。该植物表型鉴定设备可以是无创根部表型鉴定设备100、无创根部表型鉴定设备600或无创根部表型鉴定设备100。该根部表型鉴定设备被配置成检测和监测导体板126处的根部存在，并将该位置与其他特征数据(例如温度、土壤电阻率、土壤湿度、环境湿度、环境温度、时间戳等)一起存储在计算机可读介质/存储器408中。

在框1302处，植物表型鉴定设备(例如无创根部表型鉴定设备100、600、1100等)在第一预定时间内从电源402向第一导体板452充电，并确定充电是否完成。例如，切换器406可以被置于第一模式，在第一模式中电源402被电联接以向第一导体板452提供电荷，如图4a和7a所示。在一些情况下，第一预定时间超过与第一导体板452和大地接地电极138之间的土壤阻抗416相关联的时间常数。在一些情况下，预定时间可以是植物表型鉴定设备的可调整配置。

在框1304处，植物表型鉴定设备(例如无创根部表型鉴定设备100、600、1100等)将第一导体板452与电源402电分离。例如，切换器406可以被置于第二模式，在第二模式中信号提取器404能够捕获信号响应1234。也就是说，电源402与第一导体板452电分离，而信号提取器404与第一导体板452电联接。

在框1306处，植物表型鉴定设备(例如无创根部表型鉴定设备100、600、1100等)将第二导体板654电接地。第二导体板654与第一导体板452邻近并基本平行。应认识到，这对于接触传感器400是可选的，特别是对于接近度传感器700是可选的。对于包括第二导体板654的接近度传感器700，在提取测量值之前将第二导体板654接地到框架接地。接地的第二导体板654为第一导体板452提供参考接地平面，以便于信号响应曲线。

在框1308处，植物表型鉴定设备(例如无创根部表型鉴定设备100、600、1100等)在第二预定时间内提取第一导体板452处的信号响应1234。也就是说，当电子从电极138的大地接地通过土壤流向第一导体板452时，施加到第一导体板452的电荷随时间耗散。当第一导体板452放电时，信号提取器404可以提取电荷或电压电平。这产生与土壤的电特性(例如土壤阻抗416)成比例的信号响应1234。在一些实施例中，信号提取器是分压器，其中提取的电压是阻抗比(例如vo＝z1/(z1+z2)×vin)。

在一些实施例中，信号提取器404是被配置成将信号响应转换为数字等效物的adc。在这样的实施例中，adc可以被配置成用于数字地捕获信号响应。应理解，从adc提取的信号(例如电压)是相对于控制器130的框架接地的，这对于多个导体板126是公共的。在一些实施例中，第二预定时间超过与第一导体板452和大地接地电极138之间的土壤阻抗416相关联的时间常数。在一些实施例中，第二预定时间是可调整的。

另外，信号处理器412可以调节响应信号1234，使其更适于比较。例如，响应信号1234可能具有高频噪声，信号处理器412可以应用低通滤波器(例如巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、考尔滤波器等)来调节信号响应1234。

在框1310处，植物表型鉴定设备(例如无创根部表型鉴定设备100、600、1100等)从计算机可读介质/存储器408检索基线信号响应1232。例如，信号处理器412可以从计算机可读介质/存储器408检索(例如查询数据库)具有相似电阻率和温度的土壤的基线响应信号1232，以与经调节的信号响应进行比较。应理解，在确定基线响应信号时，也可以应用附加的土壤特征，例如盐度、通气性等。

在框1312处，植物表型鉴定设备(例如无创根部表型鉴定设备100、600、1100等)确定信号响应1234的一部分是否超过阈值。根部存在与确定信号响应1234的该部分超过阈值相关联。例如，植物表型鉴定设备可以包括具有确定器414的微控制器410，该确定器将信号响应1234与基线信号响应1232进行比较，以确定是否存在根部142。

在一些实施例中，确定器414是数字比较器，其被配置成确定(经调节的)信号响应1234的部分与基线信号响应1232的部分之间的差是否超过阈值。在一个实施例中，基线信号响应1232的一部分可以是与信号响应1234的峰值(例如最大值或相对最大值)对应的峰值(例如最大值或相对最大值)。在这种情况下，对于超过阈值(例如基线信号的峰值的90％)的信号响应1234的峰值，确定器414可以确定没有检测到根部142。

在框1314处，植物表型鉴定设备(例如无创根部表型鉴定设备100、600、1100等)根据超过阈值的信号响应1234(例如检测到根部)来确定生物质。生物质与信号响应1234的电容大小成比例。在一些实施例中，生物质增长速率与所经过的时间内生物质的变化成比例。

在一些实施例中，多个传感器中的每个检测到的根部142可以被空间映射(例如以形成生物质映射)。在一些实施例中，在将传感数据映射到生物质之前，对其进行预处理以标识可能由设备故障或外界条件引起的错误数据或缺失数据。在这样的实施例中精度得以改进，因为一些生物质数据可能由于测量误差而不对应于根部生物质。

在一些实施例中，使用具有异方差误差的动态线性模型来推断潜在的(未观察到的)根部生物质演变。在一些情况下，潜在根部生物质被存储为由观察数、水平和水平偏移索引的三维阵列(例如被指定为626a1-626a5、626b1-626b5、626c1-626c5等位置)。在某些情况下，残余异方差性被用于寻找瞬时过程，例如土壤生物，诸如与设备接触的蠕虫或昆虫。非常大的残余误差表明存在这种土壤生物。在某些情况下，模型的基础参数通过标准统计技术进行调整。

在框1316处，植物表型鉴定设备(例如无创根部表型鉴定设备100、600、1100等)根据超过阈值的信号响应1234(例如检测到根部)来确定生长速率。根部生长速率与导体板126在经过的时间内的三维坐标成比例。例如，可以将阳性检测的时间戳与种子540播种的时间戳或其他参考时间戳进行比较，以确定生长持续时间，然后结合根部长度确定而将生长速率因子化。

其他生长速率也在考虑之列，可以从数据中外推出来。例如，局部生长速率可以由每个新阳性检测到的根部142的生物质的增量增加来确定。同样，全局生长速率可以由根部142在每个不同水平(例如对应于不同根部长度)与传感器接触的速率来确定。因此，可以计算单个根部的特性和全局rsa特性。

作为生长速率的一部分，根部长度也可以计算出来。例如，传感器(例如导体板126或平行导体板626)的三维坐标可以提供距种子540位置的坐标的近似根部长度。这提供了对全局rsa生长的推断，这种推断基于关于可能与传感器(例如导体板126或平行导体板626)接触的根部的比例的知识。

在框1318处，植物表型鉴定设备(例如无创根部表型鉴定设备100、600、1100等)根据超过阈值的信号响应1234(例如检测到根部)来确定根部角度。根部角度基于植物根部142的原点(例如种子的原点)或冠部与传感器(例如导体板126或平行导体板626)的三维坐标之间的角度。

在一些实施例中，通过计算相应传感器(例如导体板126或平行导体板626)的三维坐标与播种了种子540的位置(或植物根系从该处发出的位置)之间的角度来确定根部角度。本申请的根部表型鉴定设备100、600可以指示播种种子540的土壤位置。因此，根部发出位置的原点(例如种子的原点)被计算为种子540上方的预定距离。根部发出位置、每一水平的半径和每一水平的深度可用于计算在相对于根部发出位置的一定高度角上生长的根部生物质的量。

在一些情况下，根部生长不是圆形对称的(例如椭圆形或长方形)。根部发出位置和传感器(例如导体板126或平行导体板626)位置可用于记录某些方位角下的根部生长。在一些情况下，传感器(例如导体板126或平行导体板626)位置根据垂直于表面法线的主要变化方向和次要变化方向来总结根部生长。在一些实施例中，在每个时间点的总根部生物质可以被转换成在每个高度角下随时间生长的根系的比例。

rsa的各个方面，例如根部角度(例如原点根部角度)，有助于植物生长和养分获取。根部角度与植物生长的相关性与资源抗性特别相关。例如，在干旱期间，角度陡峭的根部为行间作物(如玉米)提供了地下水的获取途径，而较浅的根部增加了存在于浅层土壤中的固定养分(如磷)的吸收。

在框1320处，植物表型鉴定设备(例如无创根部表型鉴定设备100、600、1100等)根据信号响应1234超过阈值的部分，将根部存在指示符存储到计算机可读介质/存储器408。在一些实施例中，附加信息(例如土壤电阻率、温度、时间戳、信号响应、坐标位置等)与根部存在指示符一起存储。在一些实施例中，根部存在指示符存储在数据库中。

在框1322处，植物表型鉴定设备(例如无创根部表型鉴定设备100、600、1100等)确定预定采样时间是否已经过去。在一些实施例中，采样时间是特定作物季节的天数。在一些实施例中，根部表型鉴定设备能够无限期地收集数据(例如收集数据直到用户干预)。

在框1324，植物表型鉴定设备(例如无创根部表型鉴定设备100、600、1100等)根据经过的预定采样时间发送数据以用于后期处理。在一些实施例中，线缆106可用于将移动设备154连接到控制器130(例如i/o连接器1250)，并且数据(例如根部存在指示符、土壤电阻率、温度、时间戳、信号响应、坐标位置等)可以发送到移动设备154用于进一步处理。在一些实施例中，移动设备154可以无线地(例如蓝牙、wifi等)与控制器130接口，并且数据(例如根部存在指示符、土壤电阻率、温度、时间戳、信号响应、坐标位置等)可以无线地发送到移动设备154用于进一步处理。

在一些实施例中，本申请的技术实现了多个无创根部表型鉴定设备100、600、1100。例如，如图11所示，无创根部表型鉴定设备1100实施了两个桩1120。该技术还可以在单个土壤位置周围实现两个或更多个具有不同尺寸的无创根部表型鉴定设备100、600、1100。与使用单个设备相比，这有助于随时间捕获附加的根部相互作用。

应理解，上述用于监测植物根部生长的技术可以适用于多种用途。将多个传感器(例如导体板126或平行导体板626)围绕土壤位置定位、将种子540播种在土壤位置中、接收表示根部存在的数据、以及基于该数据以及可选特征和元素确定植物根部的根部生长特征的步骤可以单独地使用或与本文所述的任何技术结合使用。

本申请的某些方面涉及基于根部生长特征来选择用于育种的植物的技术。在一些实施例中，该技术包括将多个导体板126(例如导体板126或平行导体板626)围绕土壤位置定位，将种子540播种在该土壤位置中，在种子540已经生长成植物140之后从植物根部142接收表示根部存在的数据，基于该数据确定该植物根部的根部生长特征，以及基于所确定的根部生长特征来选择用于育种的植物。

各种根部生长特征，包括生长速率、根部角度、根部长度和根部生物质，可以是用于选择和育种的所希望的特征。在一些实施例中，不同的根部角度有利于获取不同的土壤资源。例如，如果育种者希望最大化浅层资源吸收(例如磷)，育种者可以选择根部角度较浅的植物。同样，如果育种者希望最大化深层资源吸收(例如干旱条件下的氮或水)，育种者可以选择根部角度更深的植物140。本文描述的无创根部表型鉴定技术允许实时确定大量根部生长特征，这使得能够大规模筛选和鉴定具有所希望或新的根部生长特征的植物或栽培品种。这有利于新的杂交栽培品种，因为这些栽培品种可以对照商业品种进行测试，以确定这些栽培品种是否具有不同的根系生长特征。

在一些实施例中，该技术还包括将确定为具有特定根部生长特征的植物与相同物种的第二植物杂交以产生子代植物。在一些实施例中，第二植物具有相同的根部生长特征，从而允许对感兴趣的特征进行固定。在其他实施例中，第二植物具有不同的期望根部生长特征，从而杂交多个特征以获得新的和/或期望的rsa特性排列。

在本申请的技术中可以适当地使用多种选择和育种技术，包括轮回选择、混合选择、集团选择、回交、系谱选择、改良系谱选择、自交、同胞杂交、杂交生产、群体杂交、开放授粉育种、限制性片段长度多态性增强选择、遗传标记增强选择、双单倍体制作、和转化等。应理解，每种技术可以单独实现或者与其他技术结合实现。

在一些实施例中，本申请的设备、技术和/或计算机可读存储介质可用于杂交植物品种的生产。例如，可以生产品种以将品种的性状或特征(例如本申请的一个或多个根部生长特征)引入其他品系，或者提供可用于开发新近交品种的育种材料来源。植物育种计划中杂种的发展一般需要纯合自交品种的开发、这些品种的杂交以及杂交的评价。有许多分析技术来评估杂交的结果。一些技术包括表型性状的观察分析，而其他技术包括基因型分析。

在一些实施例中，实现回交育种以将高度可遗传性状(例如本申请的根部生长特征)的一个或几个有利基因转移到期望的品种中。该方法可用于抗病品种的育种。各种轮回选择技术可以用来定量改善由许多基因控制的遗传性状。在自花授粉作物中使用轮回选择取决于授粉的难易程度、成功授粉杂交的频率以及每次成功杂交的后代的数量。有前途的先进育种品系可以在指定的时间段内进行彻底测试并与在代表商业目标区的环境中的适当标准进行比较。最好的品系可以成为新的商业品种的候选品系。少数性状仍有缺陷的，可进一步作为亲本来培育供附加选择的新群体。

在一些实施例中，育种方案包括杂交和/或自交。例如，育种者可以初始选择和杂交两个或更多个亲本品系，然后重复自交和选择，以产生许多新的遗传组合。此外，育种者可以通过杂交、自交和突变来产生多种不同的遗传组合。植物育种者然后可以选择哪些种质进入下一代。这种种质随后可以在不同的地理条件、气候条件和土壤条件下生长，并且可以在生长季节期间和生长季节结束时做进一步选择。

系谱育种一般用于改良自花授粉作物或异花授粉作物的近交品系。将两个具有有利互补性状的亲本杂交产生f1。f2代是通过自交一个或多个f1或通过杂交两个f1(同胞交配)产生的。最佳个体的选择通常从f2代开始。然后，从f3开始，从最好的家系中选出最好的个体。在f4代中，为了提高对低遗传力性状的选择效果，通常会对家系或涉及这些家系个体的杂交组合进行重复测试。在近交的后期(即f6和f7)，表型相似品系的最佳品系或混合物被测试作为新品种的潜在发布。

分子标记也可用于育种过程中定性性状的选择。用于鉴定分子标记的示例性技术包括同工酶电泳、限制性片段长度多态性(rflps)、随机扩增多态性dna(rapds)、任意引物聚合酶链反应(ap-pcr)、dna扩增指纹图谱(daf)、序列特征扩增区域(伤痕)、扩增片段长度多态性(aflps)、简单序列重复(ssrs)和单核苷酸多态性(snps)，仅举几例。与等位基因密切相关的标记或包含实际感兴趣等位基因内序列的标记可用于在回交育种项目中选择包含感兴趣等位基因的植物。这些标记也可用于向轮回亲本的基因组和对照供体亲本的标记进行选择。

突变育种也可用于将新性状(例如本申请的一个或多个根部生长特征)引入现有品种。自发发生或人工诱导的突变可以成为对植物育种者有用的品种来源。人工诱变的目的是提高突变率。突变率可以通过许多不同的方式增加，包括温度、长期种子储存、组织培养条件、辐射(例如x射线、γ射线、中子、β射线或紫外线)、化学诱变剂(例如5-溴-尿嘧啶等碱基类似物)、抗生素、烷基化剂(例如硫芥、氮芥、环氧化物、亚乙基胺、硫酸盐、磺酸盐、砜或内酯)、叠氮化物、羟胺、亚硝酸或吖啶。一旦通过诱变观察到所希望的性状，就可以通过传统育种技术将该性状结合到现有种质中。

在一些实施例中，本申请的植物140是行间作物。在一些实施例中，本申请的植物140是玉米、大豆、水稻、小麦、高粱、番茄或苜蓿。其他行间作物包括但不限于棉花、甜菜、谷物干草、豆类(例如蚕豆、花生、豌豆等)、花(例如向日葵)、其他谷物(例如黑麦或燕麦)、甘蔗、烟草、洋麻等。

本申请的某些方面涉及用于确定植物-微生物相互作用对根部生长特征的影响的技术。应理解，这样的技术是在各种应用中使用本申请的设备和技术来实现的。在一些实施例中，该技术包括将多个传感器(例如导体板126或平行导体板626)围绕土壤位置定位，将种子540播种在该土壤位置中，使该土壤位置接种微生物或微生物群落(或以种子处理剂的形式将微生物或微生物群落施加到种子)，在种子540已经生长成具有植物根部142的植物140之后，并且在植物140和微生物或微生物群落之间建立植物-微生物相互作用之后，接收表示根部存在的数据，基于该数据确定该植物根部的根部生长特征，确定来自参比植物的参比植物根部的参比根部生长特征，该参比植物是与该第一植物相同的物种；以及通过比较该根部生长特征和该参比根部生长特征，确定植物-微生物相互作用对该根部生长特征的影响。

如本文所用，当应用于植物140、植物根部142和/或根部生长特征时，参比可以指在不同条件下生长的植物140、植物根部142和/或根部生长特征作为感兴趣的植物(例如测试植物)。在一些实施例中，参比植物140位于未接种微生物或微生物群落的土壤位置中。在一些实施例中，参比植物14位于未接种任何微生物的土壤位置中。在一些实施例中，参比植物140位于接种有不同微生物或不同微生物群落的土壤位置中。

在一些实施例中，通过使土壤位置接种感兴趣的微生物并研究其对根部生长的影响(例如如上所述)来确定植物-微生物相互作用对根部生长特征的影响，从而检查特定的已知微生物对根部生长的影响。

在其他实施例中，通过针对特定的根部生长特征筛选各种植物、标识感兴趣的生长特征、然后检测驻留在植物或植物根部上的微生物来确定植物-微生物相互作用对根部生长特征的影响，从而筛选影响植物根部生长的未知微生物。在这种情况下，该技术包括将多个传感器(例如导体板126或平行导体板626)围绕土壤位置定位，在该土壤位置中播种第一种子，在该第一种子已经生长成具有第一植物根部的第一植物之后，并且在该第一植物与第一微生物之间建立植物-微生物相互作用之后，从该多个传感器的传感器中的传感器(例如导体板126或平行导体板626)接收表示根部存在的数据，基于该数据确定该第一植物根部的第一根部生长特征，以及标识该第一微生物。在一些实施例中，该技术进一步包括确定第一微生物对植物根部生长特征的影响。多种技术可用于识别本申请的微生物，包括但不限于通过pcr、直接测序(例如dna测序或rna测序)等检测核酸，微生物的显微镜和/或组织学检查等等。

上述技术可用于研究多种植物-微生物相互作用。在一些实施例中，该微生物是细菌。在其他实施例中，该微生物是真菌。应理解，本申请的用于确定植物-微生物相互作用对根部生长特征的影响的方法可用于各种细菌或真菌微生物及其组合。在一些实施例中，植物-微生物相互作用对植物有益(例如与根瘤菌或菌根真菌的情况一样)。在一些实施例中，植物-微生物相互作用对植物有害(例如与病原微生物的情况一样)。病原植物微生物的实例包括黄单胞菌属(xanthomonas)、欧文氏菌属(erwinia)、伯克霍尔德氏菌属(burkholderia)、假单胞菌属(pseudomonas)、硬核菌属(sclerophthera)、镰刀菌属(fusarium)、腐霉属(pythium)、绵霉属(achlya)、链格孢属(alternaria)、丝核菌属(rhizoctonia)、帚枝霉属(sarocladium)、亡革菌属(thanatephorus)、菌核菌属(sclerotium)、核盘菌属(sclerotinia)、弯孢菌属(curvularia)、微座孢属(microdochium)、旋孢腔菌(cochliobolus)、尾孢属(cercospora)、短杆菌属(curtobacterium)、雷尔氏菌属(ralstonia)、霜霉属(peronospora)、梨孢属(pyricularia)、棒形杆菌(clavibacter)、土壤杆菌属(agrobacterium)、木杆菌属(xylella)、单胞锈菌属(uromyces)、匍柄霉属(stemphylium)、轮枝孢菌属(verticillium)、鬼伞属(coprinus)、丝囊霉属(aphanomyces)、疫霉属(phytophthora)、壳针孢属(septoria)、钉孢属(passalora)、刺盘孢属(colletotrichum)、突脐蠕孢属(exserhilum)、壳球孢属(macrophomina)、平脐蠕孢属(bipolaris)、麦角菌属(claviceps)、座枝孢属(ramulispora)、胶尾孢属(gloeocercospora)、瓶霉属(phialophora)、间座壳属(diaporthe)、茎点霉属(phoma)、柄锈菌属(puccinia)、腥黑粉菌属(tilletia)、黑粉菌属(ustilago)、条黑粉菌属(urocystis)、白粉菌属(erysiphe)、小球壳属(mycosphaerella)、小球腔菌属(leptosphaeria)、核腔菌属(pyrenophora)、赤壳属(calonectria)、顶囊壳属(gaeumannomyces)、假尾孢属(pseudocercosporella)等等。在一些实施例中，植物140是行间作物。在一些实施例中，植物140是玉米、大豆、水稻、小麦、高粱、番茄或苜蓿。其他行间作物包括但不限于棉花、甜菜、谷物干草、豆类(例如蚕豆、花生、豌豆等)、花(例如向日葵)、其他谷物(例如黑麦或燕麦)、甘蔗、烟草、洋麻等。

在一些实施例中，在本申请的植物140或种子540与本申请的微生物接触期间，在已知或假设的相互作用之后建立植物-微生物相互作用。在一些实施例中，在观察到植物或植物根部142的特定表型之后，例如对植物本身的可见影响(例如自然色彩的变化，地上生长，枯萎、凋谢或其他性状的出现，在有益的植物-微生物相互作用的情况下增加的生长等)，建立植物-微生物相互作用。

如上所述，本申请的无创根部表型鉴定设备100、600、1100的技术可用于监测土壤生物的技术中。在一些实施例中，该技术包括将多个传感器(例如导体板126或平行导体板626)围绕土壤位置定位，在该土壤位置中播种种子540，接收表示存在与该多个导体板中的一个导体板126接触或接近的根部的数据(在该种子已经长成具有植物根部142的植物140后，并且在该土壤生物已经侵入该土壤位置后)，基于该数据，确定所检测到的根部存在是来自该植物根部142还是来自该土壤生物，以及根据确定所检测到的根部存在是来自该土壤生物：基于该数据来监测该土壤生物。在其他实施例中，该技术包括将多个传感器(例如导体板126或平行导体板626)围绕土壤位置定位(具有植物根部的植物被种植在该土壤位置中，并且该土壤生物已经侵入该土壤位置)，接收表示存在与该多个导体板中的一个导体板126接触或接近的根部的数据，基于该数据，确定所检测到的根部存在是来自该植物根部还是来自该土壤生物，以及根据确定所检测到的根部存在是来自该土壤生物：基于该数据来监测该土壤生物。在一些实施例中，监测土壤生物的类型(例如从其大小推断土壤生物的类型)。在一些实施例中，至少部分地基于信号响应1234的持续时间和/或信号响应的幅度来推断土壤生物的大小。在一些实施例中，对感兴趣的土壤生物的数量进行监测(例如基于信号响应1234的持续时间、信号响应1234的幅度和检测到的根部142的数量中的一个或多个)。例如，特定位置中特定生物体(例如,玉米根虫)的数量可用于决定何时用杀虫剂处理、需使用的杀虫剂的量等。

土壤生物接触等瞬时过程可以基于多个方面而与根系性状区分开来。例如，在一些情况下，该数据包括标识信号响应幅度的信息。在一些实施例中，至少部分基于信号响应幅度确定检测到的根部来自土壤生物。在一些实施例中，该数据包括标识在一个或多个传感器(例如导体板126或平行导体板626)处检测到的根部的持续时间的信息。在一些实施例中，至少部分地基于检测到的根部的持续时间确定检测到的根部来自土壤生物。在一些实施例中，基于信号响应的幅度和检测到的根部的持续时间确定检测到的根部来自土壤生物。应理解的是，数据方面的组合，例如幅度和持续时间，可以用于确定检测到的根部是来自植物根部142还是土壤生物。

在一些实施例中，根据确定检测到的根部不是来自土壤生物，存储和/或过滤该数据。例如，在一些情况下，进一步确定数据是否表示噪声/基线信号或者数据是否表示植物根部142的存在。在一些实施例中，根据确定数据表示噪声/基线信号，对该数据进行过滤。在一些实施例中，根据确定数据表示植物根部的真实存在，该数据被存储在计算机可读介质/存储器408中和/或被调节(例如信号处理器412)。这提供了对植物根部142和来自土壤生物的瞬时输入两者的跟踪。

在一些实施例中，土壤生物是蠕虫或昆虫。在一些实施例中，土壤生物是农业害虫。在一些实施例中，土壤生物是玉米根虫(例如玉米根叶甲虫(diabroticavirgifera))。在一些实施例中，植物142是行间作物。在一些实施例中，植物140是玉米、大豆、水稻、小麦、高粱、番茄或苜蓿。其他行间作物包括但不限于棉花、甜菜、谷物干草、豆类(例如蚕豆、花生、豌豆等)、花(例如向日葵)、其他谷物(例如黑麦或燕麦)、甘蔗、烟草、洋麻等。

应理解，所公开的过程/流程图中的框的特定顺序或层级是对示例性方法的说明。基于设计偏好，可以理解，可以重新排列过程/流程图中的框的特定顺序或层级。此外，可以合并或省略一些框。所附的方法权利要求以示例顺序呈现了各种框的元素，并且不意味着限于所呈现的特定顺序或层级。

提供前面的描述是为了使本领域技术人员能够实践本文描述的各个方面。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员来说将是显而易见的，并且本文定义的一般原理可以应用于其他方面。因此，权利要求书不应限于本文所示出的方面，而是要赋予它们与语言权利要求一致的全部范围，其中除非特别说明，否则单数形式的元素并不意味着“一个且仅一个”，而是“一个或多个”。除非另有特别说明，否则术语“一些”是指一个或多个。诸如“a、b或c中的至少一个”、“a、b或c中的一个或多个”、“a、b和c中的至少一个”、“a、b和c中的一个或多个”和“a、b、c或其任意组合”的组合包括a、b和/或c的任意组合，并且可以包括多个a、多个b或多个c。具体地，诸如“a、b或c中的至少一个”、“a、b或c中的一个或多个”、“a、b和c中的至少一个”、“a、b和c中的一个或多个”和“a、b、c或其任意组合”的组合可以是只有a、只有b、只有c、a和b、a和c、b和c、或a和b和c，其中任何这种组合可以包含a、b、或c的一个或多个成员。本申请通篇描述的本领域普通技术人员已知或以后将知道的各个方面的元素的所有结构和功能等效物通过引用明确地结合在此，并且意图被权利要求书涵盖。此外，本文公开的内容并不旨在专用于公众，而不论该公开内容是否在权利要求中明确叙述。词语“示例性的”在本文中用于表示“用作实施例、例子或说明”。在此描述为“示例性”的任何实施例不一定被解释为优于或好于其他实施例。词语“模块”、“机构”、“元素”、“设备”等不能代替词语“装置”。因此，任何权利要求要素都不应按照35u.s.c§112(f)来解释，除非使用短语“用于……的装置”明确地引用该元素。