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Musique des Plantes. Les Musiniéristes de Polytech !

Présentation générale

La photosynthèse permet à une plante de produire de la matière organique: le dioxyde de carbone est converti en glucides lors de réactions d’oxydoréduction qui nécessitent d’une part des électrons provenant de l’eau et d’autre part de l’énergie provenant de la lumière solaire. La photosynthèse créée donc des flux d’électrons résultant en signaux électriques. Des projets récents menés par des start-ups telles que Bioo ou des entreprises telles que Plant-e cherchent à exploiter ce phénomène afin de produire de l'électricité grâce aux plantes que cela soit avec une simple plante en pot ou à l'échelle d'une rizière toute entière.

Dans une visée plus proche du divertissement artistique, notre projet consiste à capter le biorythme d’une plante et de le transformer en concert sonore. Grâce à deux électrodes placées sur le végétal, nous allons capter les impulsions électriques occasionnées par la photosynthèse et transmettre le tout sous la forme d’un signal exploitable par une enceinte ou un instrument.

Description

Durant ce projet, nous allons connecter deux électrodes à deux endroits distincts d'une plante (feuille-feuille, feuille-racine, etc) afin de mesurer son biorythme. Nous allons ensuite amplifier et filtrer ce signal afin de le transformer en musique. Notre dispositif disposera de quelques réglages (volume, aigu, grave ...), d'une enceinte pour pouvoir écouter directement le son, d'une prise jack pour pouvoir utiliser un casque ou une enceinte externe, d'une prise MIDI permettant notamment de connecter un instrument pour profiter de sa gamme et enfin des Leds pour créer une ambiance visuelle en accord avec l'ambiance sonore. Le dispositif sera portatif afin de pouvoir facilement l'utiliser chez soi ou en extérieur: cela implique une alimentation par batterie.

Objectifs

L’objectif minimal de notre projet est de parvenir à récupérer le signal électrique issu de la photosynthèse d’une plante et de le restituer de manière sonore à l’aide d’une enceinte. Nous souhaitons néanmoins aller plus loin en offrant davantage de moyens d’exploitation du signal (Leds, piano numérique). Le projet sera découpé en deux étapes principales: dans un premier temps, il s’agira de réaliser un dispositif permettant de capter les signaux électriques d’une plante puis de les traiter numériquement à l’aide notamment d’amplificateur(s) et de filtre(s) afin d’éliminer les signaux parasites et d’extraire l’information que nous évaluerons comme utile et représentative du biorythme de la plante. Dans un second temps, nous créerons un dispositif permettant de transformer le signal extrait en un concert musical. Il s’agira de munir ce dispositif d’une enceinte et d’une prise jack afin de pouvoir écouter le biorythme de la plante. Nous implémenterons également des Leds afin de créer une ambiance visuelle en adéquation avec l’ambiance sonore et nous ajouterons un port MIDI afin de pouvoir connecter un instrument comme un piano numérique dans le but de pouvoir profiter de sa gamme. Un ultime point serait de pouvoir “monitorer” sa plante en analysant le signal électrique mesuré afin de déterminer si l’activité photosynthétique de la plante est suffisante et, si elle ne l’est pas, d’informer l’utilisateur avec une LED afin que ce dernier essaye d’y remédier en arrosant davantage sa plante ou en l’exposant mieux au soleil. Nous allons cependant attendre d’observer les signaux électriques avant de déterminer si cette fonctionnalité est envisageable.

Analyse du projet

Il existe peu de produits réalisant les mêmes fonctions que notre projet: seules deux marques se distinguent en proposant des produits solides: Devodama avec un produit haut de gamme et MIDI Sprout avec un produit plus compact et abordable.

Analyse du premier concurrent

Appareil Devodama

Devodama propose un boîtier haut de gamme nommé ” Music of the Plants ” et vendu 750€.

Le produit se revendique comme l’aboutissement de 40 ans de recherche et propose un ensemble de réglages poussés grâce à une interface complète. Le boîtier propose 2 sorties: une sortie jack et une sortie MIDI. Il s’alimente sur secteur. Électrodes fournies.

Sources :

http://www.musicoftheplants.com/?ref=dhen

https://www.pepiniere-botanique.com/jardins/

Analyse du second concurrent

Appareil MidiSprout

MIDI Sprout est notre second concurrent, il propose un boîtier à partir de 200€.

Le produit ne présente aucun bouton de réglage extérieur et se présente dans une boîte écologique en carton. Il présente les 2 mêmes sorties que le boîtier de Devodama: une prise jack et une prise MIDI. Ce produit est nettement plus compact et fonctionne avec des piles. Électrodes fournies.

Sources :

https://www.midisprout.com/

Positionnement par rapport à l'existant

Comme évoqué ci-dessus, les quelques produits disponibles sont vendus entre 200 et 750 euros. L’objectif principal de notre projet est de fournir un produit réalisant des fonctions similaires, de qualité convenable, mais à un prix nettement inférieur. Nous chercherons donc tout au long de la conception de notre produit à choisir le matériel aux meilleures qualités prix afin de limiter au maximum le coût du produit fini. Nous ne cherchons pas à réaliser une interface aussi détaillée que le boîtier de Devodama, mais nous aimerions probablement avoir au moins 2 ou 3 boutons de réglage, contrairement à MIDI Sprout qui n’en présente qu'un (pour l'allumage et le volume). Nous pensons également partir sur un boîtier de petite taille fonctionnant sur batterie afin d’offrir un produit portatif simple d’utilisation. Une enceinte intégrée permettrait aussi un fonctionnement autonome, même nous craignons de devoir y renoncer si le son s'avère de trop mauvaise qualité. Nous pensons aussi offrir une représentation différente du biorythme de la plante grâce à nos LEDs et, si cela s’avère réalisable, offrir une fonction de “monitoring” de la plante.

Scénario d'usage du produit ou du concept envisagé

Pour un adulte, notre produit serait une manière d’expérimenter et d'interagir avec le monde végétal. Il pourrait être un outil de relaxation utilisé à bas volume afin de se laisser bercer par la mélodie d’une plante pour se reposer. Il pourrait être un outil de découverte et de curiosité en étant utilisé sur toutes les plantes de la maison et du jardin pour découvrir diverses mélodies et des fonctionnements différents entre différentes plantes. Il pourrait être un outil de création en utilisant les simples chants des plantes pour créer des morceaux musicaux plus complexes (s’il s’avère que vous êtes musicien). Il pourrait être un outil d’apprentissage pour faire découvrir à ses enfants que les plantes sont bel et bien vivantes et les introduire auprès de notions scientifiques telles que la photosynthèse. Ce produit se revendique avant tout comme une expérience à part entière, il ne se revendique pas comme utile, c’est un stimulateur de sens avant tout.

Réponse aux questions

Si vous n'arrivez pas à récupérer un signal exploitable depuis la plante, avez-vous un plan B ?

La photosynthèse de plante produit de la matière organique dont l'excédent est rejeté dans le sol via les racines, autour desquelles vivent des micro-organismes qui s'en nourrissent et libèrent des électrons. En plaçant des électrodes à proximité des racines, on doit pouvoir récolter ces électrons et générer du courant: ce signal serait pour nous une alternative nous permettant de générer notre mélodie.

La plante émet-elle un signal en absence de lumière?

Il y a d'autres processus mis en jeu tel que la respiration mitochondriale cependant l'activité électrique devrait en effet être nettement inférieure en absence de lumière. Nous sommes encore dans l'ignorance de la 'quantité' minimale de lumière nécessaire à des conditions de fonctionnement idéal du système que nous souhaitons réaliser.

Préparation du projet

Cahier des charges

Notre projet est constitué de deux parties principales, la première étant de récupérer le signal émis par la plante et le second la réalisation du boîtier permettant d'exploiter ce signal .

Cette première partie est l'objectif principal, car la récupération de ce signal pourra s'avérer difficile à récupérer dû à la très faible puissance véhiculée et aux parasites extérieurs qui viendront perturber ce signal.

Choix techniques : matériel et logiciel

Choix matériel

• Plante

(x1) Acquise auprès de Madame Pichonnat

• Électrodes

(x1) Cordon Sparkfun [1]

(x1 lot de 10) Électrodes Sparkfun [2]

• Amplificateur d'instrumentation

(x2) Texas Instrument [3] (x1) OPA320[4] (x1) OPA2320 [5] (x1) INA132 [6]

• Arduino méga

(x1) Arduino [7]

• Module bluetooth pour arduino

(x1) Elecfreacks [8]

• Batterie

(x1) Cordon d'alimentation [9]

(x1) Pile rechargeable Duracell [10]

• Haut-Parleur

(x1) Kingstate [11]

• Boutons / Potentiomètres

(x3) Interrupteurs TE Connectivity [12]

(x1) Potentiometre Philips [13]

• Connecteur MIDI (connecteur DIN)

(x1) RS Pro [14]

• Connecteurs Jack (3,5 mm / 3 zones de contact)

(x2) Lumberg [15]

• AOP

(x1) Texas Instrument [16]

• LEDs RGB

(x2) [17]

• CAN (Convertiseur Analogique Numerique)

(x1) [18] (x1) [19]

Choix logiciel

Pour la conception de la carte électronique, nous utiliserons le logiciel Kicad. Pour la programmation de l'arduino, l'IDE Arduino et pour la programmation de l'application mobile, Android Studio . Tous les logiciels utilisés sont libres et disponibles pour les plateformes PC/MAC/Linux.

Liste des tâches à effectuer

• 1 Analyse du projet
• 2 Récupération du signal
  • 2.1 Amplification
  • 2.2 Traitement analogique du signal (Filtre)
  • 2.2 Conversion analogique numérique.
  • 2.3 Conception du shield Arduino Mega
• 4 Programmation Arduino
  • 4.1 Traitement numérique du signal
  • 4.2 Composition de mélodies à partir du signal
  • 4.3 MIDI
  • 4.4 LED RGB
  • 4.5 Bluetooth
• 5 Réalisation d'un boitier
• 6 Programmation de l'application Android
  • 6.1 Bluetooth
  • 6.2 écouter le son
  • 6.3 Simulation piano

Calendrier prévisionnel complété avec un planning réel

Ci-dessous nous pouvons observer le planning prévisionnel avec la liste de toutes les tâches à effectuer. Représenter en vert le planning prévisionnel en fonction des semaines et représenter en violet le planning réel.

Réalisation du Projet

Feuille d'heures

Prologue : Il faut savoir commencer, même ce qui est de longue haleine

Avant le début des séances de projet nous avons commencé à analyser les différents concurrents, à nous renseigner sur comment les plantes émettent un signal, de quelle intensité et sur une méthode de récupération de ce signal.

Nous sommes entrés en contact avec Jean THOBY via son site internet de la pépinière botanique :

https://www.pepiniere-botanique.com/contacts.html

M. Jean THOBY est un détenteur de l'appareil Devodama et effectue de nombreuses démonstrations de l'appareil à Gaujacq dans le sud-ouest de la France.

Quelques informations issues de la réponse de M. Jean THOBY à nos questions:

• L'activité de surface théorique d'un végétal observable serait de l'odre de 0,01mV à 1mV contrairement à l'activité interne du bois qui peut aller jusqu'à 30 mV.

• D'un point de vue génomique, les sons émis par les végétaux au niveau des acides aminés qui se suivent au niveau du ribosome, sont de l’ordre de 10 puissances 23 hertz.

• La photosythyse n'est pas le seul facteur lié à l'activité électrique d'une plante, la phytoneurologie est l'activité électrique de surface d'un végétal ( qui peut être comparé à notre activité cérébrale) cette activité peut-être très importante même la nuit.

Il nous a également fourni un rapport qui est disponible dans la rubrique bibliographie.

Semaine 1

Lors de la première séance nous sommes passés par une phase d'étude et de réflexion afin de trouver une méthode de récupération du signal utile de notre plante.

Nous avons défini quelques prérequis à la récupération du signal souhaité auprès de la plante:

• Utiliser une cage de Faraday, même rudimentaire (papier aluminium), afin de limiter les perturbations du milieu.
• Utiliser un Amplificateur d'Instrumentation afin de réaliser une mesure précise et d'amplifier le signal.
• Réaliser un filtrage analogique pour supprimer les perturbations telles que le 50Hz du secteur ainsi qu'une amplification.
• Le signal résultant devra varier dans la plage [0;5]V pour pouvoir être traité sur une pin analogique de l'Arduino.
• Ajouter un filtrage numérique afin de filtrer des composantes indésirables.
• Réaliser si besoin une autocorrélation afin de pouvoir supprimer le bruit de notre signal.

Durant cette première semaine, nous avons également réalisé des tests sur la plante pour éventuellement apercevoir un signal sans bloc électronique spécifique. Nous avons donc relié notre plante directement à un oscilloscope.

Premier test

Premiers tests sur la plante:

• Dans un premier temps nous avons connecté des pinces crocodiles directement sur la plante. Nous avons pu observer une variation très importante à une fréquence de 50Hz. Nous en avons conclu que ce signal ne provenait pas de la plante, mais était simplement dû à des perturbations extérieures notamment celles du réseau EDF.

• En second lieu nous avons connecté les pinces crocodiles à une tige de graphite insérée dans la plante. Nous avons utilisé une connexion "graphite" pour nous affranchir des réactions d'oxydoréduction liées à l'eau présente dans la plante. Nous avons observé moins de parasites, la variation du signal est plus petite : 0.5mV. Nous avons donc conclu que l'utilisation de sondes avec des connexions en carbone est à privilégier.

• De plus le pot de notre plante est en métal qui a pour conséquence d'agir comme une antenne et de récupérer des signaux non souhaités. Nous devrons donc changer le pot pour un pot en plastique afin d'éviter toute conduction perturbatrice.

Semaine 2

Cette deuxième semaine nous nous sommes consacré à la recherche d'un Amplificateur d'Instrumentation pouvant convenir à notre projet. Nous avons choisi le composant INA 125 de Texas Instruments.

L'INA 125 est un amplificateur d'instrumentation haute précision basse consommation. Il fournit une amplification à entrée différentielle. Nous pouvons régler le gain à l'aide d'une résistance externe pour le faire varier entre 4 et 10 000. De plus nous pouvons l'alimenter avec une tension unique ou double et la tension de référence peut être sélectionnable par des broches, 2,5V , 5V ou 10V.

Ensuite, nous avons décidé d'alimenter l'INA 125 entre +5v et -5V. Nous aurons donc un signal qui varie entre -5V et +5V puis nous enverrons ce signal sur un sommateur non inverseur de tension pour récupérer un signal entre 0 et 10V. Par la suite, nous utiliserions un pont diviseur de tension pour avoir un signal qui varie entre 0 et 5V afin de pouvoir l'utiliser sur les PINS analogiques de l'arduino.

• Changement de pot : Nous avons changé le pot avec un en plastique pour limiter les signaux parasites.
• Recherche de littératures en C201 sur la récupération de faibles signaux.
• Étude du branchement de la connexion Midi avec l'arduino.

Semaine 3

• Durant cette troisième semaine, nous avons travaillé sur le branchement d'un connecteur Midi avec l’Arduino.

Le port Midi permet de connecter un instrument de musique afin de profiter de sa gamme.

Ci-dessus nous pouvons voir la connexion entre un port Midi et un Arduino. Le port midi comporte 5 broches, mais seulement 3 nous seront utiles. Une sera connectée à la masse, une au 5V et la dernière à une PIN digitale de l’Arduino.

• Nous avons également réfléchi aux différentes fonctionnalités de notre système. Nous avons décidé d'inclure trois interrupteurs permettant de modifier la mélodie(nous définirons plus tard l'influence précise de chacun des interrupteurs) et deux Leds RGB afin d’offrir une expérience visuelle.
• Recherche et commande des derniers composants nécessaire pour la réalisation de notre appareil.
• Début de la conception d'un shield Arduino Mega sur le logiciel de CAO, Kicad.

• Après une analyse plus approfondie nous avons abandonné l'idée d'utiliser un sommateur non-inverseur de tension associé à un diviseur de tension afin de récupérer un signal variable entre 0-5V sur une PIN de l’Arduino. Nous utiliserons plutôt un CAN (Convertisseur Analogique Numérique) pour renvoyer le signal numérisé à l’Arduino via la broche TX/RX.

Semaine 4

• Recherche concernant les méthodes pour capter le signal via l'électroencéphalographie (EEG).

L'EEG capte un signal d'environs 100 uV auquel est ajouté un filtre passe-bas du 4e ordre pour acquérir les signaux dans la plage de 0,5-35Hz puis à un filtre coupe-bande de 50Hz. Les câbles ne sont pas particulièrement blindés, torsadés au mieux.

Dans notre cas, nous ne connaissons pas les fréquences des signaux à récupérer donc nous allons dans un premier temps ajouter un filtre coupe-bande de 50Hz.

Nous avons également choisi d'utiliser des électrodes en carbone collantes et des cordons qui se fixe via un bouton-pression sur ces électrodes, munies d'un connecteur jack à l'autre extrémité. Cela va nous permettre de connecter facilement la plante à notre appareil.