一、基于計(jì)算機(jī)智能控制的新型育苗技術(shù)體系---植物非試管快繁
植物非試管快繁技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)環(huán)境控制技術(shù)與生物技術(shù)有機(jī)結(jié)合而形成的一種新型育苗技術(shù)。是植物的離體材料在計(jì)算機(jī)環(huán)境模擬條件下，實(shí)現(xiàn)全息性、全能性表達(dá)快速成苗的技術(shù)，也是依賴于計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)種苗周年生產(chǎn)工廠化培育的一項(xiàng)技術(shù)，它是當(dāng)前育苗效率較高成本較低實(shí)用性較強(qiáng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)新技術(shù)，現(xiàn)就該技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)的理論基礎(chǔ)與技術(shù)體系給予介紹。
1、環(huán)境是生物進(jìn)化的主動(dòng)力，也是基因表達(dá)的決定因素
環(huán)境是生物進(jìn)化的主動(dòng)力，是生物從低級(jí)生物進(jìn)化為高級(jí)生物，從常規(guī)物種演變?yōu)樾挛锓N的動(dòng)力源，只有不斷變化的環(huán)境才能對(duì)生物進(jìn)行自然選擇，才讓生物在環(huán)境選擇中進(jìn)化。另外，適合的環(huán)境也極為重要，它是生物生存與發(fā)展的基礎(chǔ)。如植物的光合作用，需要適宜的溫度、濕度、光照、水份及二氧化碳甚至是地球的磁場(chǎng)等環(huán)境，離開(kāi)了這些環(huán)境因子，生存與生長(zhǎng)就不可能成立。從這個(gè)角度說(shuō)，任何農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中所相關(guān)的經(jīng)濟(jì)植物也同樣需要適合的環(huán)境與促進(jìn)進(jìn)化的變化環(huán)境，但這種環(huán)境在沒(méi)有計(jì)算機(jī)控制條件下只得依賴于自然，不能進(jìn)行最佳化的人為意志調(diào)節(jié)調(diào)控，培育與生產(chǎn)效率較低，如對(duì)于自然界的災(zāi)害天氣就根本難以抵御，而使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受損。但隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力水平的提高，近年設(shè)施農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，許多經(jīng)濟(jì)植物栽培都從自然走進(jìn)了人工設(shè)施，環(huán)境問(wèn)題有了很大改善，農(nóng)作物產(chǎn)量質(zhì)量也得以大幅度提高，可是離植物最佳的生長(zhǎng)條件創(chuàng)造還有距離。
而植物的育苗技術(shù)如試管育苗，嫁接育苗及扦插育苗更是與氣候或環(huán)境因子息息相關(guān)的農(nóng)業(yè)技術(shù)。比如試管育苗就是利用試管與組培室的人工環(huán)境為細(xì)胞或組織的發(fā)育創(chuàng)造最佳的溫光氣熱營(yíng)養(yǎng)激素條件，使這些組織細(xì)胞的全能性全息性得以表達(dá)發(fā)育，成為與母本具有相同性狀的植株。而嫁接也是一樣，利用砧木與接穗間的親和性，再借助環(huán)境的適應(yīng)性，使兩者的切口得以愈合發(fā)育，成一株完整的個(gè)體。同樣扦插育苗也然，它必須在適合的季節(jié)，適宜的環(huán)境條件下，才能讓離開(kāi)母體的插穗重新恢復(fù)全能性發(fā)育，而成為一株完整的植株，上述的這些技術(shù)，它的效果與成活率基本上受限于環(huán)境條件創(chuàng)造與氣候因子，說(shuō)明不管哪種育苗技術(shù)，環(huán)境是實(shí)現(xiàn)基因表達(dá)的關(guān)鍵，在多雨綿綿的季節(jié)，嫁接成活肯定差，在高溫干旱的環(huán)境，扦插成活率肯定低，但作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是人工參予的一種技術(shù)性工作，完全可以發(fā)揮人工創(chuàng)造環(huán)境的能力來(lái)解決這些氣候或環(huán)境的不利因素，使育苗效果得以改善。
更重要的是，環(huán)境能使植物在常規(guī)下不能表達(dá)的基因或潛能，在人工創(chuàng)造的環(huán)境下得以表達(dá)與體現(xiàn)。如傳統(tǒng)的組培育苗，就是讓植物體的微材料在人工培養(yǎng)基與人工環(huán)境下，使一些在常規(guī)下不能發(fā)育的微型離體材料，組織或細(xì)胞恢復(fù)分化分生能力與生根成苗潛能，才使它發(fā)育成完整的個(gè)體。傳統(tǒng)的全光照扦插育苗也然，就是通過(guò)水份的科學(xué)控制使一些常規(guī)條件下不能生根的插穗得以生根成活。那么，同樣的道理采用了計(jì)算機(jī)精確化的智能控制技術(shù)后，是否會(huì)形成新的技術(shù)體系與激發(fā)植物離體材料新的發(fā)育潛能呢？通過(guò)實(shí)踐與科研證明，植物的離體材料在計(jì)算機(jī)控制的最佳環(huán)境下，能使其基因的表達(dá)得以最大化發(fā)揮，一些常規(guī)技術(shù)下難以實(shí)現(xiàn)生根成苗的植物種類，采用該技術(shù)后，可以輕松實(shí)現(xiàn)，而且具有比常規(guī)方法有更高的效率與更低的生產(chǎn)成本更優(yōu)的苗木質(zhì)量。
2、計(jì)算機(jī)的環(huán)境控制是實(shí)現(xiàn)開(kāi)放環(huán)境下離體材料發(fā)育的有力保障
植物種苗繁育的過(guò)程就是種子的胚或者無(wú)性的離體材料，在人工或自然環(huán)境下實(shí)現(xiàn)自身發(fā)育而成為完整個(gè)體的過(guò)程。而這種發(fā)育所需的環(huán)境條件與營(yíng)養(yǎng)激素條件完全可以做到精確化科學(xué)化的人為調(diào)節(jié)控制，這樣就使胚或離體材料的發(fā)育速度大大加快，生理潛能大大激發(fā)。植物非試管快繁技術(shù)就是通過(guò)環(huán)控技術(shù)的優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)環(huán)境優(yōu)化技術(shù)使組培創(chuàng)造環(huán)境的方法制限得以解放與發(fā)展，使植物離體材料從原本運(yùn)用密閉試管與培養(yǎng)室的環(huán)境走向大田走向設(shè)施，使這種原本需要大投入的育苗技術(shù)變得簡(jiǎn)單而實(shí)用，使一些常規(guī)不能組培成活的植物也能在大田開(kāi)放的環(huán)境下得以培育。它從試管密閉缺氧及少二氧化碳的環(huán)境走向了氧氣充足二氧化碳適宜的環(huán)境，從恒溫恒濕的環(huán)境走向了波動(dòng)有變化的半自然環(huán)境，使育成幼苗對(duì)外界適性更強(qiáng)，從全人工組培異養(yǎng)環(huán)境走向了依整離體材料自身光合潛能依靠科學(xué)調(diào)控的自養(yǎng)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)離體材料不加糖的環(huán)境下得以光合自養(yǎng)，為離體材料的成苗發(fā)育提供充足的碳源與營(yíng)養(yǎng)。而這些環(huán)境的創(chuàng)造沒(méi)有計(jì)算機(jī)精確控制是難以實(shí)現(xiàn)的，也是難以在生產(chǎn)上運(yùn)用的。所以只有依賴于環(huán)控手段才能讓離體材料發(fā)育從試管與室內(nèi)走向大田與自然，只有這種環(huán)境與技術(shù)生產(chǎn)的種苗才具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，才能為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更多發(fā)育健壯的商品苗，才可以克服組培的弊端而實(shí)現(xiàn)技術(shù)的進(jìn)步與跨越，從試管的封閉育苗走向大田或苗床的開(kāi)放式育苗是一大技術(shù)革新與進(jìn)步。
現(xiàn)就組培環(huán)境與非試管環(huán)境的比較分析來(lái)認(rèn)識(shí)植物非試管快繁技術(shù)的優(yōu)越性與創(chuàng)新所在。組培育苗時(shí)離體材料發(fā)育常因封閉不透氣環(huán)境而形成弱苗或玻璃化苗，這主要是試管內(nèi)濕度過(guò)高而氧氣及二氧化碳的又缺乏所造成氣孔發(fā)育及代謝不正常。而苗勢(shì)纖弱與根系稀少，又是由于光照不足及瓊脂固化缺氧所至，移栽成活率低又是由于在試管內(nèi)的異養(yǎng)發(fā)育，導(dǎo)致光合模式呼吸模式不能正常建立所至。苗易受病菌侵害與污染又是由于試管內(nèi)加糖所至，這也決定了組織培養(yǎng)須進(jìn)行嚴(yán)格無(wú)菌操作所帶來(lái)的各種技術(shù)局限。而非試管快繁技術(shù)是利用離體材料本身所具的光合潛能，再利用環(huán)境控制手段，讓其發(fā)揮到極限以實(shí)現(xiàn)自養(yǎng)供碳，自養(yǎng)發(fā)育的過(guò)程，離體材料的愈傷發(fā)育及根原基形成所需的營(yíng)養(yǎng)及碳源都是通過(guò)自養(yǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，無(wú)需在培育的苗床上加糖與其它有機(jī)物，這樣就可避免加糖的污染，因菌的發(fā)育在沒(méi)有外界現(xiàn)成碳源情況下是難以滋生繁衍的，這樣就可實(shí)現(xiàn)開(kāi)放式的不加糖育苗。同樣開(kāi)放多變的環(huán)境又會(huì)受到環(huán)境因子的影響而破壞離體材料的正常發(fā)育，那么如何實(shí)現(xiàn)這種開(kāi)放環(huán)境所帶來(lái)的氣候因子調(diào)控的矛盾的，隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，這種開(kāi)放所帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題可以有效地解決。使開(kāi)放條件下離體材料的發(fā)育成苗得以實(shí)現(xiàn)，讓離體材料在一個(gè)開(kāi)放而環(huán)境適宜的半自然條件下進(jìn)行發(fā)育成苗。
二、計(jì)算機(jī)控制的原理及運(yùn)用
離體材料在離開(kāi)母體后，失去了水份與營(yíng)養(yǎng)的維管供應(yīng)，又面臨著蒸騰失水干枯的危脅，如果不能科學(xué)地供給水分，讓其保持水分平衡，就根本不可能進(jìn)行光合的自養(yǎng)代謝，也就根本不可能為離體材料的發(fā)育提供自養(yǎng)碳源。而在生產(chǎn)上如何能夠準(zhǔn)確地掌握這種氣候多變環(huán)境下，離體材料的水分蒸騰變化呢，又是如何進(jìn)行科學(xué)的水份供給呢？這就當(dāng)然要涉及到水分的精確檢測(cè)與科學(xué)供給。這里所謂的檢測(cè)就是計(jì)算機(jī)需有檢測(cè)環(huán)境水份變化的功能，相當(dāng)于人要有感觸環(huán)境的感覺(jué)器官，這就是計(jì)算機(jī)控制中所必須的傳感器，起到感應(yīng)環(huán)境因子變化的作用。而科學(xué)準(zhǔn)確供給就涉及到科學(xué)的數(shù)據(jù)運(yùn)算、參數(shù)設(shè)定及動(dòng)作執(zhí)行，其中運(yùn)算及參數(shù)設(shè)定由計(jì)算機(jī)的運(yùn)算貯存功能來(lái)完成，動(dòng)作執(zhí)行由自動(dòng)控制的相關(guān)部件完成，這樣就形成了，檢測(cè)---運(yùn)算---執(zhí)行的信息反饋控制系統(tǒng)，就如人一樣具有了感覺(jué)思考與執(zhí)行能力，這樣計(jì)算機(jī)系統(tǒng)就成了人功能的擴(kuò)展，成為生產(chǎn)科研者意志的體現(xiàn)，這就是計(jì)算機(jī)的人工智慧功能，我們稱之為智能。人們可以通過(guò)研究各種不同植物發(fā)育的最佳生長(zhǎng)模式，研究不同植物離體材料的發(fā)育特性，把這些生長(zhǎng)模式與特性轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)中的程序與軟件，形成了育苗的專家系統(tǒng)。而把植物離體材料發(fā)育相關(guān)的氣候因子，如溫度、濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度、營(yíng)養(yǎng)ec值等的感應(yīng)傳感器組成了檢測(cè)系統(tǒng)，再由水泵、電磁閥、熱風(fēng)爐、加溫線、補(bǔ)光燈、二氧化碳發(fā)生器、電場(chǎng)發(fā)生等組成了執(zhí)行部份。通過(guò)這些硬件及軟件的科學(xué)組合就形成了專業(yè)化育苗的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，就能夠?qū)崿F(xiàn)離體材料發(fā)育相關(guān)環(huán)境因子的科學(xué)模擬創(chuàng)造，就能使其發(fā)育成苗的環(huán)境矛盾與障礙得以解決。
以下實(shí)現(xiàn)環(huán)控的理論及各個(gè)組成部份的構(gòu)建與控制進(jìn)行詳細(xì)的介紹，使生產(chǎn)科研者能對(duì)這種新型的育苗技術(shù)與體系有更深刻的了解，更好地服務(wù)于生產(chǎn)及科研。用于育苗或農(nóng)業(yè)的環(huán)境控制技術(shù)與工業(yè)控制不同，它是在多變的非線性混沌狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)相關(guān)因子的區(qū)間調(diào)控，不是單一數(shù)值的控制，也不是大環(huán)境大空間的控制，它是基于微域及模糊控制理論基礎(chǔ)上的非線性運(yùn)算與控制。
1、基于微域環(huán)境的控制理論
什么叫微域環(huán)境？它在控制中有那些作用。植物非試管育苗讓離體材料從密閉的試管環(huán)境走下開(kāi)放的大田苗床，這種半自然的環(huán)境要實(shí)現(xiàn)大空間的控制是不可能，即使做到了也會(huì)消耗大量的能源。而對(duì)于離體材料的發(fā)育，最重要的是葉片或材料表面所能直接作用的環(huán)境因子，離開(kāi)了這個(gè)微域范圍，其它的大棚環(huán)境其實(shí)不重要。那么葉片表面的微環(huán)境是如何實(shí)現(xiàn)與感知呢，首先需在檢測(cè)環(huán)境因子的傳感器上要做到能代表微環(huán)境空間，把檢測(cè)各種環(huán)境參數(shù)的傳感器進(jìn)行集成，并把它擺放至距離體材料最接近的微環(huán)境空間里，這樣才能檢測(cè)到最接近離體材料葉片表面的溫光氣熱水等參數(shù)，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)控制傳感器大多布于大空間環(huán)境的各個(gè)區(qū)域，代表的是大空間的環(huán)境參數(shù)，要實(shí)現(xiàn)整個(gè)大棚空間環(huán)境參數(shù)的優(yōu)化，必須消耗大量的水能電能及各種人工能源，成本高效率低。就如風(fēng)扇與空調(diào)，啟動(dòng)風(fēng)扇立即可以加快人體皮膚表面水份的蒸發(fā)，馬上可感覺(jué)到?jīng)鏊照{(diào)則需消耗大量的電能，才可使整個(gè)空間的溫度下降，前者省電而快速，后者耗電或緩慢，用于離體材料快繁的環(huán)境控制技術(shù)也是同樣道理，在調(diào)節(jié)水份及溫度濕度時(shí)，以離體材料微環(huán)境的表面區(qū)域空間為主要調(diào)控對(duì)象，這樣就可以使能源消耗最小化。在與離體材料相關(guān)的環(huán)境因子中，溫度與濕度、水份的變化是最為頻繁而無(wú)規(guī)律的，為了能相對(duì)準(zhǔn)備的檢測(cè)到微環(huán)境參數(shù)，把傳感器模擬制造成如微小離體材料的帶葉莖段，并把各種傳感器科學(xué)分布集成于這張人工葉片上，我們把它叫作智能化葉片，它是