باستخدام الحشرات Electroantennogram مجسات على الحكم الذاتي الروبوتات لبحث الشم

في الوقت الحاضر، وكثيرا ما تستخدم الحيوانات مثل الكلاب في تطبيقات السلامة والأمن التي تنطوي على توطين التسريبات الكيميائية والمخدرات والمتفجرات لما لها من ممتازة قدرات الكشف رائحة ^16. حتى الآن، وأنها تظهر الاختلافات السلوكية، بالتعب بعد العمل المكثف، وتتطلب إعادة تدريب متكررة، ويقلل أدائها مع مرور الوقت ^17. طريقة واحدة للتحايل على هذه القيود هو استبدال الكلاب المدربة من قبل الروبوتات حاسة الشم.

مع ذلك، وتتبع الروائح ومصادر الرائحة يشكل تحديا كبيرا في مجال الروبوتات. في بيئات مضطربة، والمناظر الطبيعية من عمود رائحة غير متجانسة للغاية وغير مستقرة، ويتكون من بقع تقع بشكل متقطع ^4. حتى على مسافات متوسطة من المصدر، قصيرة قدر بضعة أمتار، المكتشفة تصبح متقطعة وتقديم العظة فقط بشكل متقطع. علاوة على ذلك، التدرجات تركيز المحلية خلال المكتشفة لا تشير عموما نحو المصدر. قرص معينتدفق ontinuous المعلومات والمعلومات المحلية محدودة عندما تتم اكتشافات كيفية التنقل روبوت نحو مصدر؟

ومن المعروف جيدا أن الحشرات مثل العث الذكور استخدام الاتصالات الكيميائية لتحديد أقرانهم بنجاح لمسافات طويلة (مئات الأمتار). للقيام بذلك، فإنها تبني السلوك النمطية ^18-20: أنها ترتفع عكس الريح على استشعار رائحة التصحيح وإجراء بحث موسع دعا الصب عندما تختفي الرائحة المعلومات. هذه الاستراتيجية الصب تصاعد رد الفعل هو محض، ويتم تحديد الإجراءات تماما من أي تصورات الحالية (الكشف وعدم الكشف عن الأحداث). حتى الآن، وتنفيذه على الروبوتات حاسة الشم قد النجاح في الماضي محدودة بسبب الكشف عن بقع رائحة يعوقه بطء أجهزة الاستشعار الغاز الاصطناعي.

أجهزة الاستشعار أكسيد المعدن الذي يستخدم في معظم الروبوتات حاسة الشم لديهم الاستجابة والإنعاش مرات عدة عشرات ثانية بحيث تصفية عموما خارجتقلبات تركيز اجه في أعمدة مضطربة ^21. في المقابل، فإن زمن الاستجابة من المستقبلات الكيميائية للحشرات هو أقصر من ذلك بكثير، على سبيل المثال، في الوقت صعود electroantennograms الحشرات (EAGs) هو أقل من 50 ميللي ثانية ^22. بالتالي، باستخدام EAGs الحشرات، ويتم حل البقول رائحة بترددات عدة هيرتز ^23. هذه الخاصية يجعل أجهزة الاستشعار EAG مناسبة تماما للكشف عن خيوط رائحة في أعمدة الطبيعية. نحن هنا وصف بروتوكول لتضمين EAGs الحشرات على الروبوتات السماح لعمليات البحث باستخدام حاسة الشم كفاءة وزيادة الصب الاستراتيجيات.

ويستند البروتوكول على الروبوت المتاحة تجاريا (انظر الجدول مواد) والعث الذكور (AGROTIS ipsilon) مع فرمون جنسهم. حتى الآن، وأنه يمكن تكييفها مع تعديلات طفيفة لأنواع من الحشرات، عطر، والروبوتات.

1. الحشرات

1. اليرقات الخلفي من AGROTIS ipsilon HUFNAGEL (قشريات الجناح: Noctuidae) على النظام الغذائي الاصطناعي والمحافظة عليها في أكواب بلاستيكية الفردية حتى التشرنق في 23 ± 1 درجة مئوية والرطوبة النسبية 50 ± 5٪ كما هو موضح سابقا ^24.
2. الشرانق الجنس والحفاظ على الذكور البالغين بشكل منفصل عن الإناث في صناديق بلاستيكية. منحهم حرية الوصول إلى حل السكروز 20٪.
3. إجراء تجارب مع الذكور. العث الذكور هي حساسة للغاية للفرمون الجنس المنبعثة من الإناث بهم مناوع. في A. ipsilon، المكون الرئيسي فرمون، خلات رابطة الدول المستقلة-7-dodecenyl (Z7-12: شنو) هو المركب الأكثر نشاطا على هوائي.

1. تسجيل EAG من إعداد كامل للحشرات، كما هو موضح أدناه (الشكل 1A). ويفضل هوائيات هوائيات سليمة على رفعه لأنهم يظهرون أطول عمرا (انظر نتائج ممثل).
2. الكلور اثنين من الأسلاك الفضية عن طريق الغمر في محلول التبييض المركزة لمدة 10-20 دقيقة وشطف بعد ذلك. هذه العملية يمنع أقطاب من الاستقطاب. لا بد من تكرار كلما الانجرافات خط الأساس خلال التجارب أو عندما يكون تعويض الجهد بين الأقطاب تصبح كبيرة جدا بحيث لا يمكن تعويضه من خلال مكبر للصوت.
3. جعل أقطاب الزجاج من الشعيرات الدموية النار مصقول مع ساحبة القطب. النار تلميع يمنع خدش سلك الفضة المكلورة مع الأقطاب الكهربائية.
4. تخدير عثة الذكور مع CO ₂ ووضعه داخل كتلة الستايروفوم مع رئيس جاحظ من أعلى.
5. حبل رئيس الحشرة مع الشريط الرسام حول الرقبة.
6. إدراج سلك الفضة بمثابة القطب المرجعية في الرقبة.
7. تحت stereomicroscope، شل واحدة من هوائيات مع شرائح رقيقة من الشريط الرسام على طرف والقاعدة.
8. قطع القاصي 2-3 شرائح الهوائي مع مقص جراحي.
9. وضع الزجاج الكهربائي بالقرب من قطع غيض من الهوائي مع مناور الصغيرة.
10. قطع أقصى من الزجاج الشعرية مع ملقط للحصول على قطر أكبر قليلا من قطع غيض من الهوائي.
11. ملء ماصة الزجاج مع (مم) 6.4 بوكل، 340 الجلوكوز، 10 HEPES، 12 MgCl _2، 1 و CaCl _2، 12 كلوريد الصوديوم، ودرجة الحموضة 6.5.
12. إدراج قطع غيض من الهوائي في الزجاج الشعرية مع مياداة مجهرية.
13. زلة سلك الفضة العامل بوصفه القطب تسجيل في أقصى أكبر من الزجاج الشعرية.

3. الأجهزة واجهة

1. جبل إعداد كله، أي الحشرات أقطاب-مياداة مجهرية، على لوحة معدنية مشدود على رأس الروبوت (الشكل 1B). توصيل الأقطاب الكهربائية إلى روبوت، كما هو موضح أدناه.
2. استنادا إلى الأعمال السابقة ^25-26، تصميم واجهة الجهاز للتكييف EAG انتاج التيار الكهربائي (النظام 1 بالسيارات في العديد من MΩ) إلى مجموعة مناسبة للوحة التمديد للروبوت. مجلس يقبل 0-5 المدخلات V التناظرية والجهد السلبي أدناه -200 بالسيارات قد تسبب أضرارا بالغة. اتبع الخطوات التالية ل3.2.1 3.2.4 لتصميم واجهة مع النسر.
   1. تصميم إمدادات الطاقة 5V ± من بطارية +12 V باستخدام الجهد المنظم 78L10 (① في أرقام 2A-2C).
   2. تصميم المضخم headstage (10X) على أساس الأجهزة مكبر للصوت INA121 (③ في أرقام 2A-2C).
   3. تصميم مكبر للصوت للمرحلة الثانية (25X) مع الضوضاء تصفية (الدرجة الأولى عالية تمرير مرشح 0.1 هرتز، والنظام الثاني المنخفضة تمرير مرشح 500 هرتز، 50 هرتز الشق فلتر) على أساس رباعية المرجع الامبير LT1079 (315؛ في أرقام 2A-2C).
   4. تصميم مرحلة تكييف إشارة إلى أن يحسب مع المرجع أمبير الصمام الثنائي 1N4148 LT1079 و(⑤ في أرقام 2A-2C). الربح الإجمالي هو 250 والإخراج EAG هي في حدود 0-5 V مع صفر يجري في 2.5 V.
3. توصيل الأقطاب الكهربائية إلى المدخلات التفاضلية EAG (② في أرقام 2A-2C). ربط القطب تسجيل لإدخال قلب من INA121 الحصول EAGs إيجابية.
4. ربط الانتاج EAG (⑥ في أرقام 2A-2C) إلى 12 مدخلات تناظرية مجلس التمديد للروبوت. كما تتم قراءة كل المدخلات بالتتابع كل جزء من الثانية، وتواتر أخذ العينات هو 1 كيلو هيرتز.

4. واجهة البرامج

والمواضيع الرئيسية تحتوي على واجهة المستخدم الرسومية (GUI)، وأساليب للكشف عن إشارة وظائف مختلفة للتحكم في الروبوت.

1. إرسال اجهة المستخدم الرسومية (الشكل 2D) في كيو تي-C + + FO التصور البيانات ص، وتصفية الرقمية (20 هرتز النظام 5 ^عشر بتروورث مرشح تمرير منخفض) وكشف رائحة من EAG. وهذا الأخير لا يمكن أن يؤديها بطريقتين: إما عن طريق deconvolving في EAG مع مرشح المناسب (نهج الهندسة، قسم 4.2)، أو عن طريق نمذجة الآليات العصبية التي تسمح سريعة وموثوق بها الكشف فرمون في A. العث ipsilon (النهج bioinspired، القسم 4.3).
2. مرشح Deconvolution. وEAG يوصف بشكل جيد من قبل شلال غير الخطية التي تتكون من ²⁷ لاستقامة ثابتة والمنخفضة تمرير مرشح 1 ^شارع أجل مع وظيفة دفعة الأسي إلى ، انظر الشكل 3A. في استجابة لتغير تركيز الرائحةuation 4 "FO: محتوى العرض =" 0.3in "سرك =" / files/ftp_upload/51704/51704eq4.jpg "/>، وتعطى الناتج EAG من الإلتواء لا يتجزأ . يتم الحصول على Deconvolution ببساطة عن طريق معكوس النظام؛ وهذا هو في مجال التردد. ثم، كما تحويل فورييه للاستجابة الدافع هو . للكشف عن إشارة، اتبع الخطوات 4.2.1 إلى 4.2.3.
   1. تنفيذ عملية deconvolution في مجال الوقت و و ، الشكل 3B. تقريب استقامة بواسطة وظيفة متعدد الحدود. تناسب المعلمات متعدد الحدود والوقت ثابت على أزواج بيانات المدخلات والمخرجات لتقليل متوسط ​​مربع الخطأ بين الحقيقي وإعادة بنائها تركيز الرائحة.
   2. كشف يضرب فرمون كلما يتجاوز عتبة محددة سلفا.
3. كشف Neuromorphic. نهج بديل لكشف تتمثل في محاكاة البيولوجيا. في A. العث ipsilon، الخلايا العصبية المركزية تلقي مدخلات من الهوائي الرد على فرمون مع نمط اطلاق النمطية من الإثارة تثبيط ^13. A-هودجكين هكسلي رنموذج الخلايا العصبية يب] مع أربعة تيارات الأيونية (المعدل الحالي تأخر K ^{+، +} ونا كا ^{2 +} التيارات، وهو تصرف صغيرة كا ^{2 +} K ⁺ التي تعتمد الحالية الجهد بوابات) وقد وضعت سابقا لإنتاج الاستجابات الفسيولوجية لاحظ ^13. للكشف عن إشارة، اتبع الخطوات 4.3.1 إلى 4.3.3.
   1. تنفيذ نموذج الخلايا العصبية كما المعادلات التفاضلية. استخدام إشارة EAG كمدخل الحالي في تطور غشاء المحتملة . استخدام غشاء السعة C = 22.9 الجبهة الوطنية وتيار تسرب قدمها مع تصرف ز _L = 0.011161 ميكروثانية والانعكاس المحتمل E _L = -61.4 بالسيارات. وصفت التيارات الأيونية التي كتبها مع من قبل حيث وظائف غير الخطية من الاطلاع على الأعمال السابقة V. ¹³ للحصول على التفاصيل.
   2. محاكاة نموذج الخلايا العصبية في الزمن الحقيقي مع SIRENE من خلال دمج المعادلات التفاضلية مع نظام ^ال 4 طريقة رونج كوتا وخطوة الوقت = 0.01 ميللي ثانية. تشغيل الاختبار ارتفاع V (ر ^و)> 0 بالسيارات والخامس (ر ^و - ) <0 بالسيارات عبر الإنترنت للحصول على أضعاف ارتفاع وinterspike فترات.
   3. الكشف عنمشاهدات فرمون كلما يتبع موجة من الإثارة (3 فترات متتالية interspike <70 ميللي ثانية) عن طريق تثبيط (interspike الفاصل ≥ 350 ميللي ثانية)، انظر الشكل 3C.

وصف بروتوكول أعلاه تم اختباره الأول مع قصيرة 20 ميللي ثانية البقول من فرمون (جرعة 1 ميكروغرام و 10 ميكروغرام) ينفخ مباشرة على هوائي. ويبين الشكل 4A في EAGs ردا على البقول فرمون. فهي إيجابية لأنه تم توصيل القطب تسجيل لإدخال قلب من مكبر للصوت، كما هو موضح في الخطوة 3.3. كما يتبين من طيف الطاقة، ونظام القياس هو قادرة على حل البقول فرمون تصل إلى 10 هرتز. للمقارنة، ونحن أيضا اختبار جهاز استشعار الغاز المتاحة تجاريا. وTGS2620 هو استشعار أكسيد المعادن المصنعة للكشف عن أبخرة المذيبات. على الرغم من أن أجهزة الاستشعار يمثل حساسية عالية للإيثانول، وكان غير قادر على متابعة التغيرات في تركيز (انظر منحنى متقطع في الشكل 4B). جاءت المشكلة من السكن الاستشعار. يتم تسويقها في TGS2620 مع غطاء يحتوي على الفولاذ المقاوم للصدأ شاش واقية من اللهب. وقت استجابة بطيئة لأنه، من الناحية العملية، فإنه يأخذ ووقت معين للغاز على الانتشار عبر الشاش وتصل إلى سطح أكسيد المعادن. التعافي بطيئة أيضا لأن الأمر يتطلب بعض الوقت لتنظيف جهاز الاستشعار عندما يتم المحاصرين الغاز داخل الغطاء. لذا فإننا إزالة الغطاء وتحسن ديناميات هذا التعديل بشكل كبير (انظر المنحنى العادي في الشكل 4B). ومع ذلك، كان هناك عامل عشرة بين EAG وTGS2620 (10 هرتز مقابل 1 هرتز). هذه المقارنة هي مع ذلك النوعية كما EAG وTGS2620 لم يتم اختبار في نفس الظروف.

نحن بعد ذلك بتقييم الاستقرار مع مرور الوقت لدينا إعداد كامل للحشرات (ن = 12 العث) بالمقارنة مع الهوائيات رفعه (ن = 7 هوائيات). تم تسجيل EAG دوري ردا على التحفيز فرمون (مدة 500 ميللي ثانية، جرعة 1 ميكروغرام). تم تحويل EAGs الخام (في السيارات) لEAGs النسبية (النسبة المئوية من القيمة الأولية التي تم الحصول عليها في الوقت t = 0). الشكل 5 يظهر الاستقرار جيدة جدا لدينا الإعدادية كله للحشراتaration خلال يوم العمل. في المقابل، سجلت EAGs على انخفاض هوائيات معزولة بسرعة مع مرور الوقت بحيث يقع إشارة إلى نصف قيمته الأولية بعد 1.5 ساعة فقط. يوصف هذا الاعتماد الوقت بشكل جيد من قبل الاضمحلال الأسي مع عمر من 2 ساعة.

أخيرا، اختبرنا قدرة plateform الروبوتية EAG للبحث عن مصدر الرائحة (مجمع فرمون Z7-12: شنو) باستخدام استراتيجية البحث على رد الفعل (الشكل 6A). استراتيجية البحث يجمع بين الطفرة عكس الريح في كل مرة يتم الكشف عن فرمون مع الصب دوامة في غياب المكتشفة 28. تم الكشف عن وجود فرمون من EAG بواسطة كاشف neuromorphic، كما هو موضح في الخطوة 4.3. وترد مثالين من EAG سجلت خلال البحث في الشكل 6B. دون مصدر الرائحة، وEAG يبقى حول الصفر (أي 2.5 V) مع عدد قليل جدا أو معدومة المكتشفة. الروبوت ينفذ الصب دوامة ويترك فرنكا فضاء البحث بشكل عامخام الوصول إلى الموقع المستهدف (في 92٪ من المحاكمات، ن = 26 المحاكمات، الشكل 6C اليمين). مع مصدر الرائحة (الشكل 6C اليسار)، وEAG يقدم رشقات نارية من النشاط (المكتشفة) تتشابك مع فترات من الصمت (لا المكتشفة). يحدث الصب دوامة أساسا في محيط عمود (الشكل 6C اليسار، خط أحمر) ويبدو أن استراتيجية فعالة لنقل محور عمود عند فقدان الرائحة. في هذه الحالة، يتم العثور على مصدر عموما (= نسبة نجاح 96٪، ن = 44 المحاكمات).

الشكل 1. الجامع للحشرات إعداد EAG والإعداد الروبوتية. أ) يتم تسجيل electroantennogram (EAG) من إعداد كامل للحشرات (انظر النص للحصول على التفاصيل). B) هي التي شنت على إعداد سرقةبعد التمديد. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2. الأجهزة واجهة البرمجيات. A) النسر التخطيطي من الأجهزة. تتكون الدائرة من ستة أقسام (انظر النص للحصول على التفاصيل). لأنها تتيح تصفية (نطاق التردد ،1-500 هرتز، من الدرجة الأولى في 50 هرتز)، والتضخيم (مجموع مكاسب 250X) وتكييف إشارة في نطاق 0-5 V. B) تخطيط النسر تظهر خطوط من النحاس (الأعلى باللون الأحمر و السفلي باللون الأزرق) والثقوب (باللون الأخضر). C) لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) تظهر عناصر منفصلة. D) واجهة المستخدم الرسومية (GUI) مكتوب في كيو تي-C + + لتصور البيانات (التتبع الحمراء = EAG المدخلات، والتتبع الخضراء= الناتج نموذج الخلايا العصبية)، تصميم فلتر وكشف الإشارة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 3. الكشف عن إشارة من EAG. A) Electroantennogram (EAG) نموذج. وعلى غرار لEAG بواسطة شلال 27 غير الخطية التي تتكون من استقامة ثابتة تليها 1 شارع الترتيب المنخفض تمرير مرشح مع وظيفة دفعة الأسي . وبالنظر إلى الناتج EAG لا يتجزأ من الإلتواء مع باء) نهج الهندسة. وFILT deconvolutionإيه يكتب و ، انظر النص للحصول على التفاصيل. تم الكشف عن لقاءات رائحة (زيارة) كلما يتجاوز عتبة محددة سلفا. C) نهج مستوحاة الحيوية. يتم استخدام نوع هودجكين هكسلي نموذج الخلايا العصبية مع خمسة التيارات الداخلية (تسرب، K +، + نا، كا 2 + وSK) لإعادة إنتاج نمط اطلاق المرصودة من الإثارة تثبيط (EI) لوحظ تجريبيا 13. للكشف عن إشارة، يتم استخدام إشارة EAG كما يتم الكشف عن المدخلات الحالية ويضرب كلما تبعتها موجة من الإثارة عن طريق تثبيط النشاط في اطلاق النار.

< ر /> الشكل 4. وقت استجابة EAG. A) تسجيلات EAG ردا على 20 ميللي ثانية البقول فرمون (جرعة 1 ميكروغرام و 10 ميكروغرام) تسليم بمعدلات مختلفة (1، 2، 4، 6، 8، و 10 نبضات / ثانية). يظهر تطبيع EAG طيف الطاقة لتحفيز نابض في 1 و 10 هرتز (جرعة 1 ميكروغرام و 10 ميكروغرام). وEAG يحل البقول الفردية تصل إلى 10 هرتز. ب) تسجيلات من أجهزة الاستشعار الغاز TGS2620 ردا على الإيثانول (تذبذب تركيز). منحنيات متقطع وسهل هي استجابة الاستشعار مع وبدون غطاء، على التوالي. أجهزة الاستشعار مع غطاء لديه الوقت للاستجابة لعشرات ثانية، وبالتالي لا يمكن أن يتبع التقلبات في تركيز الغاز. وTGS2620 دون غطاء يحل تقلبات الفردية تصل إلى 1 هرتز. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 6. التجارب الروبوتية. أ) استراتيجية الصب زيادة يجمع بين زيادة في عكس الريحوجود رائحة مع الصب في دوامة عدم وجوده 28. B) EAG النموذجية سجلت خلال البحث في حين أن الروبوت يتحرك (مع وبدون رائحة). C) مسارات روبوت مع رائحة (ن = 44 تجارب) وبدون رائحة (ن = 26 المحاكمات). خط متقطع أحمر يمثل كفاف عمود حيث وقعت 90٪ من جميع المكتشفة أثناء المحاكمات. الظروف التجريبية: فضاء البحث = 4 متر x 2.5 متر، وسرعة الروبوت = 5.6 سم / ثانية، الهدف = 10 ميكروغرام من فرمون المودعة على ورق الترشيح واستبدال كل 2 المحاكمات، الروبوت المكان الأول = 2 متر من الهدف، سرعة الرياح = 0.9 ± 0.2 م / ثانية في الموقع المستهدف. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

المؤلفون ليس لديهم ما يكشفون عنه.