القدرة على حصر مصدر الرائحة هو ضروري لبقاء الحشرات ويتوقع أن تكون قابلة للتطبيق الصناعي رائحة تتبع. هو الدافع وراء الروبوت التي تسيطر عليها الحشرات من قبل silkmoth الفعلي وتمكننا من تقييم القدرة على تتبع رائحة الحشرات من خلال منصة الروبوتية.
Method Article
القدرة على حصر مصدر الرائحة هو ضروري لبقاء الحشرات ويتوقع أن تكون قابلة للتطبيق الصناعي رائحة تتبع. هو الدافع وراء الروبوت التي تسيطر عليها الحشرات من قبل silkmoth الفعلي وتمكننا من تقييم القدرة على تتبع رائحة الحشرات من خلال منصة الروبوتية.
كان توطين مصدر الرائحة الروبوتية مجالا صعبا وكان من المتوقع أن تساهم فيه المعرفة البيولوجية ، حيث يعد العثور على مصادر الرائحة مهمة أساسية لبقاء الكائن الحي. الحشرات كائنات حية مدروسة جيدا فيما يتعلق بتتبع الرائحة ، وقد تم تطبيق استراتيجياتها السلوكية على الروبوتات المتنقلة للتقييم. هذا النهج "من أسفل إلى أعلى" هو طريقة أساسية لتطوير روبوتات المحاكاة الحيوية. ومع ذلك ، لا تزال التحليلات البيولوجية ونمذجة الآليات السلوكية مستمرة. لذلك ، لا يزال من غير المعروف كيف يعمل مثل هذا النظام البيولوجي بالفعل كوحدة تحكم في منصة روبوتية. للإجابة على هذا السؤال ، قمنا بتطوير روبوت يتم التحكم فيه بواسطة الحشرات حيث يقود ذكر عثة الحرير البالغة (Bombyx mori) سيارة روبوتية استجابة لمنبهات الرائحة. يمكن اعتبار هذا نموذجا أوليا لروبوت مستقبلي لمحاكاة الحشرات. في قمرة القيادة للروبوت ، سارت عثة حرير مربوطة على كرة مدعومة بالهواء وقام مستشعر بصري بقياس دوران الكرة. تمت ترجمة هذه الدورات إلى حركة الروبوت ذو العجلتين. تتمثل ميزة هذا النهج "الهجين" في أنه يمكن للمجربين التلاعب بأي معلمة للروبوت ، مما يتيح تقييم قدرة الحشرات على تتبع الرائحة ويقدم اقتراحات مفيدة لتتبع الرائحة الآلية. علاوة على ذلك ، فإن هذه التلاعبات هي طرق غير جراحية لتغيير العلاقة الحسية الحركية للحشرة التجريبية وستكون تقنية مفيدة لفهم السلوكيات التكيفية.
يمكن أن تكون الروبوتات المستقلة القادرة على العثور على مصدر للرائحة مهمة لسلامة وأمن المجتمع. ويمكن استخدامها للكشف عن ضحايا الكوارث، والمخدرات أو المواد المتفجرة في المطار، وانسكابات المواد الخطرة أو تسريبها في البيئة. في الوقت الحاضر ، نعتمد كليا على المدربة جيدا (مثل) لهذه المهام ، ومن المتوقع بشدة أن يخفف توطين مصدر الرائحة الروبوتية من عبء العمل على هذه. يعد العثور على مصدر للرائحة مهمة صعبة للروبوتات لأن الروائح تتوزع بشكل متقطع في الغلاف الجوي1 ؛ لذلك ، فإن أخذ العينات المستمرة من تدرج تركيز الرائحة ليس ممكنا دائما. وبالتالي ، فإن استراتيجية البحث باستخدام إشارات الرائحة المتقطعة ضرورية لتحقيق توطين مصدر الرائحة الآلي2-4.
يعد توطين مصدر الرائحةأمرا ضروريا لبقاء الكائن الحي ويتضمن مهام مثل العثور على الطعام وشركاء التزاوج ومواقع وضع البيض. للتغلب على صعوبة تتبع الروائح الموزعة غير المكتملة ، طورت الكائنات الحية استراتيجيات سلوكية مختلفة تتكون من سلوكين أساسيين: التحرك في اتجاه المنبع أثناء استقبال الرائحة وعبر التيار أثناء توقف استقبال الرائحة5،6. تم توثيق هذه الاستراتيجيات التفاعلية جيدا في الحشرات ودمجها مع طرائق أخرى ، مثل اتجاه الرياح والرؤية5-8. كانت النماذج السلوكية للحشرات أيضا أمثلة مفيدة للروبوتات3،9-11 ، حيث يتم تنفيذ الخوارزميات السلوكية أو نماذج الدوائر العصبية في الروبوتات المتنقلة لتقييم قدرات توطين مصدرالرائحة 10،12-15. من وجهات نظر المحاكاة الحيوية ، يعد هذا النهج "من الأسفل إلى الأعلى" بالتأكيد طريقة أساسية لتطوير روبوتات المحاكاة الحيوية. ومع ذلك ، فإن النهج التصاعدي ليس طريقا مختصرا للحصول على استراتيجية بحث مفيدة ، لأن التحليلات البيولوجية لا تزال جارية ، ولم تكتمل نمذجة الأنظمة الحسية الحركية الكامنة وراء سلوكيات الحشرات. لذلك ، لا يزال من غير المعروف كيف يعمل مثل هذا النظام البيولوجي بالفعل كوحدة تحكم في منصة روبوتية.
في هذه المقالة ، نوضح بروتوكول نهج مباشر "من أعلى إلى أسفل" لتطوير روبوت متنقل لتتبع الرائحة يتحكم فيه نظام بيولوجي16،17. يتم التحكم في الروبوت بواسطة حشرة حقيقية ويمكن اعتباره نموذجا أوليا للروبوتات المستقبلية التي تحاكي الحشرات. في قمرة القيادة الخاصة بالروبوت ، سار ذكر حرير بالغ مربوط (بومبيكس موري) على كرة مدعومة بالهواء استجابة للفرمون الجنسي الأنثوي ، والذي تم تسليمه إلى كل هوائي من خلال أنابيب شفط الهواء. تم قياس دوران الكرة الناجم عن سير العثة الموجودة على متن الطائرة بواسطة مستشعر بصري وترجمت إلى حركة الروبوت ذي العجلتين. تتمثل ميزة هذا النهج "الهجين" في أنه يمكن للمجربين التحقيق في كيفية عمل النظام الحسي الحركي للحشرات على المنصة الروبوتية حيث تكون الحشرة التجريبية في حلقة مغلقة بين الروبوت وظروف الرائحة الحقيقية. التلاعب بالأجهزة الروبوتية يغير الحلقة المغلقة ؛ لذلك ، يعد الروبوت الذي تتحكم فيه الحشرات منصة مفيدة لكل من المهندسين وعلماء الأحياء. بالنسبة للهندسة ، يمثل الروبوت الخطوات الأولى لتطبيق نموذج بيولوجي لتلبية متطلبات المهام الروبوتية. بالنسبة لعلم الأحياء ، يعد الروبوت منصة تجريبية لدراسة التحكم الحسي الحركي تحت حلقة مغلقة.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
1. التجريبية الحيوانية
2. الربط على Silkmoth
3. روبوت تسيطر عليها الحشرات
4. إعداد مصدر الرائحة
ملاحظة: ذكر ب موري هي حساسة لعنصرا رئيسيا في مناوع فرمون الإناث (بومبيكول: (E، Z) -10،12-hexadecadien-1-أول) 20. أي تلوث المعدات التجريبية مع بومبيكول يتسبب سلوك تتبع رائحة ويؤثر على الاستجابة للفراشة.
5. رائحة المصدر التعريب تجربة
6. التلاعب روبوت تسيطر عليها الحشرات
ملاحظة: يشار توقيت كل التلاعب في الشكل 9.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
نقدم هنا الخصائص الأساسية للروبوت التي تسيطر عليها الحشرات اللازمة لتوطين الناجح لمصدر الرائحة. يتم فحص المقارنة بين الروبوت وsilkmoths، فعالية نظام التسليم رائحة، وأهمية حاسة الشم الثنائي دقيقة والمدخلات البصرية.
يظهر مقارنة السلوكيات رائحة تتبع بين العث بحرية المشي والروبوت التي تسيطر عليها الحشرات في الشكل 10A وباء.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
أهم النقاط من أجل السيطرة الناجحة للروبوت من قبل silkmoth يتم السماح فراشة سيرا على الأقدام بسلاسة على الكرة المدعومة الهواء وقياس ثبات دوران الكرة. ولذلك، الربط وsilkmoth والمتصاعدة على الكرة في المكان المناسب هي الخطوات الحاسمة في هذا البروتوكول. والتصاق غير لائق من العثة إلى المرفق أو المواقع غير مناسبة للفراشة على الكرة يسبب ضغط غير طبيعي على ذلك، الذي يشوش السلوك المشي العادي و / أو يتسبب في فشل أجهزة الاستشعار البصرية لقياس دوران الكرة. التخشين الكرة البوليسترين المهم أيضا ل...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.
نشكر Shigeru Matsuyama على توفير بومبيكول النقي. تم دعم هذا العمل من قبل الجمعية اليابانية لتعزيز العلوم KAKENHI (أرقام المنح 22700197 و 24650090) وبرنامج علوم الحدود البشرية (HFSP).
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| ذكر: عثة الحرير البالغة (Bombyx mori< / em>) مؤخرة | من البيض ، أو شرائها كشرانق. | ||
| حاضنة | باناسونيك | MIR-254 | قم بتخزين الشرانق أو عث الحرير البالغ عند درجة حرارة ثابتة ، 238 لتر. |
| صندوق بلاستيكي | Sunplatec | O-3 | تخزين الشرانق أو عث الحرير البالغ ، 299 مرة ؛ 224 مرة ؛ 62 مم لتر & مرات ؛ W & مرات ح. |
| سلك | بقطر 2 مم للمرفق. يمكن استخدام أي قضيب صلب كبديل لجعل المرفق لربط عثة الحرير. | ||
| لوح بلاستيكي | Kokuyo | VF-1420N | يباع كفيلم عرض علوي بسمك 0.1 مم. استخدم عند طرف المرفق. |
| ملقط | كواحد | 5SA | إزالة المقاييس على الصدر. |
| لاصق | Konishi | G17 | Bond عثة الحرير إلى المرفق. |
| روبوت يتم التحكم فيه بواسطة الحشرات | مخصص | يحمل جهاز المشي المدعوم بالهواء ، ومستشعر بصري ، ولوحات متحكم دقيقة قائمة على AVR مصممة خصيصا ، ومحركين بدون فرش بالتيار المستمر. يتم تشغيله بواسطة 8 مرات ؛ AA و 3 مرات ؛ بطاريات 006P. | |
| المتحكم | الدقيق Atmel | ATMEGA8 | أحد مكونات الروبوت الذي تتحكم فيه الحشرات. |
| منفاخ التيار المستمر | Nidec | A34342-55 | أحد مكونات الروبوت الذي تسيطر عليه الحشرات لتعويم كرة في جهاز المشي المدعوم بالهواء. |
| مروحة التيار المستمر | Minebea | 1606KL-04W-B50 | مكون من الروبوت الذي تتحكم فيه الحشرات لامتصاص الهواء الذي يحتوي على رائحة. |
| مستشعر الماوس البصري | تقنيات Agilent | HDNS-2000 | أحد مكونات الروبوت الذي تسيطر عليه الحشرات ، تم الحصول عليه من ماوس بصري (M-GUWSRSV ، Elecom ، اليابان). |
| محرك بدون فرش | Maxon | EC-45 | أحد مكونات الروبوت الذي تتحكم فيه الحشرات لقيادة العجلة. |
| البوليسترين البيضاء | أحد مكونات الروبوت الذي تسيطر عليه الحشرات. قطر 50 مم ، كتلة حوالي 2 جم. | ||
| بومبيكول: (E ، Z) -10،12-hexadecadien-1-ol | Shin-Etsu الكيميائية | التوليف المخصص. | |
| n-hexane | Wako | 085-00416 | مذيب ل bombykol. |
| نفق الرياح | نوع سحب الهواء المخصص | ، بحجم 1،800 مرة ؛ 900 مرة ؛ 300 مم لتر ومرات ؛ W & مرات ح. | |
| برنامج BioSignal | مخصص | برنامج لإنشاء اتصال تسلسلي بين الروبوت الذي تسيطر عليه الحشرات وجهاز كمبيوتر عبر البلوتوث. تستخدم لإرسال أوامر لبدء / إيقاف الروبوت أو تكوين خصائص محركه. | |
| كاميرا الفيديو | سوني | HDR-XR520V | التقاط حركات الروبوت. |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission