Method Article

روبوت تسيطر عليها الحشرات: منصة موبايل روبوت لتقييم الرائحة تتبع القدرة من الحشرات

DOI:

10.3791/54802

December 19th, 2016

In This Article

Summary

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Abstract

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Introduction

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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 الرائحة

أمرا 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.

Protocol

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. التجريبية الحيوانية

  1. إعداد مربع من البلاستيك للحفاظ على الشرانق من silkmoths الذكور (B. موري) حتى eclosion بهم. المناشف وضع ورقة في أسفل وقطع من الورق المقوى حول الجدار الداخلي للصندوق (الشكل 1A).
    ملاحظة: قطعة من الورق المقوى ضرورية لالعث الكبار لعقد بينما تمتد أجنحتها خلال eclosion (الشكل 1A).
  2. وضع silkmoth الذكور (Bombyx مور ط) الشرانق في منطقة الجزاء، والاحتفاظ بها في حاضنة حتى eclosion تحت 16 ساعة: ضوء 8 ساعة: دورة الظلام عند 25 درجة مئوية.
    ملاحظة: الذكور والإناث الشرانق يمكن أن يكون هناك تمييز من علامات الجنس على البطن (الشكل 1B).
  3. جمع الفراشات الذكور البالغين بعد eclosion ونقلها إلى مربع جديد.
  4. الحفاظ على العث الكبار في حاضنة تحت 16 ساعة: ضوء 8 ساعة: دورة الظلام وانخفاض درجة الحرارة إلى 15 درجة مئوية للحد من نشاطهم قبل التجربة.

2. الربط على Silkmoth

  1. تلفيق مرفق للالربط (الشكل 2A)
    ملاحظة: يتكون المرفق من الأسلاك النحاسية مع شريط من ورقة رقيقة من البلاستيك في طرفها. وهذا ما يضمن حركة الظهري البطني من القفص الصدري أثناء المشي (الشكل 2B).
    1. إعداد شريط من ورقة رقيقة من البلاستيك، 2 × 40 مم (سمك: 0.1 ملم)، وأضعاف ذلك في الوسط.
    2. إرفاق شريط مطوية إلى غيض من الأسلاك النحاسية بمادة لاصقة.
    3. ثني غيض من قطاع مطوية حيث يتم إرفاق الصدر من silkmoth.
  2. استخدام العث الكبار (2-8 أيام من العمر) خلال الفترة الخفيفة للتجربة.
    ملاحظة: الحساسية للفرمون تعتمد بقوة على مدار الساعة الإيقاعية 18. لأن B. موري هو عثة نهاري، يجب إجراء التجربة خلال الفترة الخفيفة.
  3. إزالة بلطف جميع المستويات على الدرسال الصدر (mesonotum) باستخدام قطعة من النسيج الرطب (أو مسحة القطن) وفضح بشرة من mesonotum (الشكل 2C).
  4. لصق لاصقة على شريط من البلاستيك على المرفق وعلى سطح mesonotum يتعرض مع صغيرة مفك البراغي شفرة مسطحة والانتظار 5-10 دقيقة حتى لاصقة لم يعد لزجة.
    ملاحظة: يجب على لاصق لا تلمس المفصلي الجناح أو tegulae forewing (الشكل 2C).
  5. السندات وmesonotum إلى المرفق.
  6. إبقاء فراشة المربوطة قبل وضعه داخل قمرة القيادة للروبوت. عقد المرفق على الوقوف ووضع قطعة من الورق تحت الأرجل للراحة العثة.

3. روبوت تسيطر عليها الحشرات

  1. تصميم الأجهزة للروبوت التي تسيطر عليها الحشرات بناء على الأعمال السابقة 16،17،19.
    ملاحظة: يتكون الروبوت التي تسيطر عليها الحشرات من حلقة مفرغة المدعومة الهواء مع جهاز استشعار الفأرة البصرية لcapturه وتنقل الحشرات، المدمج المخصص المعتمد على AVR وحات متحكم لتجهيز والتحكم في المحركات، واثنين من المحركات العاصمة فرش (الشكلان 3 و 4). الروبوت يمكن أن تعمل على أساس التناوب الكرة مع 96٪ الدقة أو أعلى، ضمن فترة زمنية من 200 مللي ثانية. كما يضمن تنقل أقصى سرعة إلى الأمام (24.8 ملم / ثانية) والسرعة الزاوية (96.3 درجة / ثانية) من silkmoth خلال فرمون السلوك تتبع 16. تم تصميم تدفق الهواء من مطحنة (الشكل 5A) ونظام التسليم رائحة (الشكل 5B) لفراشة على متن الطائرة على السير بسلاسة على الكرة وتكتسب رائحة من قبل اثنين من الهوائيات. يتم فصل قناة كمية الهواء وتدفق حلقة مفرغة من تلك التي في نظام تسليم رائحة لتجنب التلوث من فرمون.
  2. تصميم البرنامج لميكروكنترولر على متن الطائرة على أساس الأعمال السابقة (16).
    ملاحظة: متحكم على متن الطائرة يحسب رانه حركات الروبوت من تنقل الحشرات قياس مع جهاز استشعار بصري (التناوب، Δ س، متعدية، Δ ذ؛ الشكل 6). المسافة السفر (Δ L) وتتحول زاوية (Δθ) في وحدة الزمن الروبوت وتحسب على أساس من مسافة السفر من كل عجلة (يسار، Δ L الحق، Δ L R) مثل Δ L = (Δ L L + Δ L R) / 2 وΔθ = (Δ L L - Δ L R) / عجلة التطوير، حيث عجلة D هي المسافة بين العجلات (120 ملم). ووصف Δ L L وΔ L R أكثر مع Δ L L = Δ ل س، L + Δ L y و L وΔ L R = Δ ل س، R + Δ L ذ، ر، حيث Δ ل س، L </ دون> وΔ ل س، R هي مسافات السفر من العجلات على الجانبين الأيسر والأيمن يسيطر عليها Δ س، وΔ L y و L وΔ L y و R هي تلك التي تسيطر عليها Δ ذ. من الناحية المثالية، Δ ل س، L و Δ ل س، موصوفة R كما Δ ل س، L = -Δ ل س، ص = G Δ س (عجلة D / الكرة D)، وΔ L y و L وΔ L ص ، موصوفة R كما Δ L y و L = Δ L ص، R = G Δ ذ، حيث G هو مكسب السيارات والكرة D هو قطر الكرة (50 ملم). في الممارسة العملية، يتم تعيين مكاسب المحرك بشكل مستقل من قبل كل جانب (اليسار أو اليمين عجلة) وكل اتجاه (إلى الأمام أو إلى الخلف دوران) وذلك لمعايرة حركة الروبوت. المكاسب مستقلة تسمح كذلك لتحديد دوران المحرك غير متناظرة لتوليد التحيز تحول الروبوت (راجع الخطوة 6.1).
  3. غسل سطح بيضاء الكرة البوليستيرين (الكتلة: حوالي 2 غرام؛ القطر: 50 ملم) مع الماء لإزالة أي العظة حاسة الشم أو بصرية ممكنة.
    ملاحظة: يجب معاملة خشنة السطح من الكرة الجديدة مع الصنفرة غرامة الحصباء، مثل P400، الذي يضمن قبضة الساقين على الكرة.
  4. تشغيل مروحة منفاخ التي تزود الهواء في 9 V إلى حلقة مفرغة ويطفو على الكرة (الشكل 5A). مراقبة الكرة تطفو حوالي 2 مم من قاع الكأس.
  5. باستخدام المسمار، ونعلق الأسلاك النحاسية المرفق مع فراشة (راجع الخطوة 2) لاعبا اساسيا في قمرة القيادة للروبوت (انظر الشكل 3 الشكل). تأكد من أن موقف الساقين الأوسط في مركز الكرة (الشكل 7A).
  6. ضبط الوضع الرأسي للمرفق لتمكين العثة على المشي بشكل طبيعي على بجميع. ابقاء الكرة في نفس الارتفاع قبل وبعد ربط فراشة (7B الشكل).
    ملاحظة: الموقف ايضا منخفض المرفق يضيف الضغط على العثة ويتسبب المشي إلى الوراء لمقاومة الضغط (الشكل 7C)، في حين أن الموقف ايضا عالية يسبب المشي غير مستقرة والفشل من أجهزة الاستشعار بسبب التغيرات في الوضع الرأسي لل الكرة (الشكل 7D). للتحقق السلوك المشي العادي، يتم استخدام التحفيز فرمون واحد ينفخ لتحريك المشي في فراشة (لتحفيز فرمون، راجع الخطوة 4). لاحظ أن التحفيز الاختبار يجب أن يكون الحد الأدنى لالتعرض السابق لبومبيكول habituates silkmoths وانخفاض حساسيتها (ماتسوياما وكانزاكي، بيانات غير منشورة).

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.

  1. إسقاط 10 ميكرولتر من الحل بومبيكول يذوب في ن الهكسان (200 نانوغرام / ميكرولتر) على قطعة من ورق الترشيح (حوالي 10 ملم × 10 ملم). كمية بومبيكول في قطعة من ورق الترشيح هو 2000 نانوغرام.
    ملاحظة: للتحقق من السلوك العادي قريبة من العث، وإعداد خرطوشة فرمون التحفيز في هذه الخطوة. خرطوشة هو الزجاج ماصة باستير مع قطعة واحدة من ورق الترشيح تحتوي على 2000 نانوغرام من بومبيكول. دفع لمبة نفث في بومبيكول الهواء تحتوي على.

5. رائحة المصدر التعريب تجربة

  1. تشغيل مروحة من نفق الرياح سحب الهواء من نوع (1800 × 900 × 300 مم، L × W × H، الشكل 8)، وضبط سرعة الرياح إلى 0.7 متر / ثانية. تأكد من أن درجة الحرارة أكثر من 20 درجة مئوية.
  2. تعيين مصدر الرائحة (عIECE من ورق الترشيح التي تحتوي على بومبيكول) المنبع من نفق الرياح.
    ملاحظة: يجب أن يكون وأكد عرض عمود قبل التجربة باستخدام TiCl 4 17،19.
  3. بدوره على متن متحكم للروبوت وتأسيس اتصال تسلسلي إلى جهاز الكمبيوتر عن طريق البلوتوث.
  4. إطلاق برنامج جافا من صنع مخصص يسمى "BioSignal"، والذي يوفر واجهة بين الكمبيوتر والروبوت.
    ملاحظة: يتضمن الإطار الرئيسي أزرار لإرسال الأوامر إلى الروبوت، ويندوز النص لعرض المدخلات والمخرجات للبلاغ المسلسل، ومربعات صغيرة لتكوين المعلمات. يتم إرسال أوامر لاحقة بالنقر فوق الأزرار المقابلة في هذا البرنامج، باستثناء التقاط الفيديو.
  5. انقر على "حول جهاز" زر لتأكيد الاتصال عن طريق إرسال الأوامر لالروبوت عبر منفذ COM المحدد وتحقق من أن رسالة يتم إرجاع بواسطة الروبوت.
  6. انقر على "مذكرةراي محو "الزر لمحو بيانات الحركة السابقة تركت على ذاكرة فلاش على متن الطائرة.
  7. انقر على زر "drivemode1" لارسال المكاسب المحرك الافتراضي للروبوت.
    ملاحظة: يتم تطبيق التلاعب من المكاسب السيارات وتأخير الوقت بين الحركة الحشرات وحركة الروبوت بعد هذه الخطوة (انظر الخطوات 6.1 و 6.3، الشكل 9).
  8. انقر على زر "لا تدفع" لإرسال الأوامر للشل حركة الروبوت حتى تبدأ التجربة.
  9. وضع الروبوت في موضع بداية (600 ملم المصب من مصدر الرائحة)، وبدوره على التبديل مجلس سائق السيارات.
  10. تضغط على الزر تسجيل الكاميرا لبدء التقاط الفيديو.
  11. انقر على زر "البدء تفصيل" لإرسال أمر بداية لبدء الروبوت مع تسجيل وقت واحد من دوران الكرة على ذاكرة فلاش على متن الطائرة. نلاحظ أن الروبوت يبدأ في التحرك والمسارات عمود رائحة.
  12. اضغط على"توقف تفصيل" و "لا تدفع" أزرار لإرسال الأوامر إلى وقف كل من حركة الروبوت وتسجيل إذا كان الروبوت يموضع مصدر الرائحة.
  13. تضغط على الزر تسجيل كاميرا الفيديو لوقف التقاط الفيديو.
  14. تحميل سجلت بيانات الحركة من ذاكرة فلاش على متن الطائرة إلى الكمبيوتر عبر اتصال تسلسلي. أغلق البرنامج.

6. التلاعب روبوت تسيطر عليها الحشرات

ملاحظة: يشار توقيت كل التلاعب في الشكل 9.

  1. التلاعب من المكاسب السيارات
    ملاحظة: هذا التلاعب يغير من سرعة متعدية والتناوب للروبوت. مكاسب السيارات غير المتكافئة تولد التحيز تحول، والتي يمكن استخدامها لدراسة كيفية تعويض الحشرات عن التحيز 17.
    1. تحديد المكاسب الدوران للأمام والوراء دوران المحرك على كل جانب 17 (الشكل 6B) عن طريق تحرير الملف التكوين ه يدعى "param2.txt" باستخدام محرر النصوص.
    2. انقر على "PARAM2 ضبط" لقراءة ملف التكوين تحريره في البرنامج. ثم، انقر على "drivemode2" لارسال المكاسب التلاعب بها لالروبوت.
  2. قلب من إخراج السيارات
    ملاحظة: يوفر هذا التلاعب حالة مشابهة لقلب المدخلات الثنائي حاسة الشم (راجع الخطوة 6.4)، ويمكن استخدامها للتحقيق في أهمية الشم الثنائي. ومع ذلك، فإن انعكاس للناتج المحرك أيضا المقلوب الحركة البصرية التي يسببها الذاتي للعثة على متن الطائرة. تأثير المدخلات البصرية التي يسببها النفس مقلوب يمكن تقييمها من قبل مقارنة مع إدخال حاسة الشم مقلوب 19.
    1. عكس التحكم في المحركات الثنائية عن طريق عبور كابلات التحكم لكل محرك.
  3. التلاعب في تأخير الوقت بين الحركة الحشرات وحركة الروبوت.
    ملاحظة: هذا التلاعبيسمح للتحقيق في فترة مقبولة من الوقت الذي يقضيه في معالجة الحسية والحركية لالروبوتية رائحة تتبع. متحكم بتخزين بيانات الحركة على الذاكرة عازلة ثم يعالج ذلك بعد تأخير زمني محدد. لاحظ أن الروبوت لديه القصوى تأخير وقت الداخلي 200 ميللي ثانية. وبالتالي، من المتوقع أن يكون التأخير الزمني المحدد بالإضافة إلى 200 مللي ثانية 16،17 تأخر الوقت الفعلي.
    1. إدخال رقم (0-10) في مربع صغير من النافذة الرئيسية لتحديد فترة زمنية من 0-1،000 ميللي ثانية في الخطوات 100 ميللي ثانية.
    2. انقر على زر "المقرر تاخير" لتطبيق تأخير الوقت.
  4. التلاعب في المدخلات حاسة الشم.
    ملاحظة: هذا التلاعب يمكن أن تستخدم للتحقيق في أهمية مساهمة الثنائي حاسة الشم. منحازة باتجاه موجة من silkmoths على الجانب تركيز أعلى 22.
    1. تغيير الفجوة بين النصائح أنبوب الشفط أو عكس مواقفهم لتغييرالفرق في تركيز الرائحة التي حصل عليها كل هوائي.
  5. التلاعب في المدخلات البصرية
    ملاحظة: هذا التلاعب هو التحقيق في دور المدخلات البصرية لرائحة تتبع.
    1. تغطية مظلة مع ورقة بيضاء حتى تسبب انسداد 105 ° و 90 ° من المجال البصري الأفقي والرأسي للعثة على متن الطائرة، على التوالي.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Discussion

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Disclosures

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

Acknowledgements

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
ذكر: عثة الحرير البالغة (Bombyx mori< / em>) مؤخرةمن البيض ، أو شرائها كشرانق.
حاضنةباناسونيكMIR-254قم بتخزين الشرانق أو عث الحرير البالغ عند درجة حرارة ثابتة ، 238 لتر.
صندوق بلاستيكيSunplatecO-3تخزين الشرانق أو عث الحرير البالغ ، 299 مرة ؛ 224 مرة ؛ 62 مم لتر & مرات ؛ W & مرات ح.
سلكبقطر 2 مم للمرفق. يمكن استخدام أي قضيب صلب كبديل لجعل المرفق لربط عثة الحرير.
لوح بلاستيكيKokuyoVF-1420Nيباع كفيلم عرض علوي بسمك 0.1 مم. استخدم عند طرف المرفق.
ملقطكواحد5SAإزالة المقاييس على الصدر.
لاصقKonishiG17Bond عثة الحرير إلى المرفق.
روبوت يتم التحكم فيه بواسطة الحشراتمخصصيحمل 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.
المتحكمالدقيق AtmelATMEGA8أحد مكونات الروبوت الذي تتحكم فيه الحشرات.
منفاخ التيار المستمرNidecA34342-55أحد مكونات الروبوت الذي تسيطر عليه الحشرات لتعويم كرة في جهاز المشي المدعوم بالهواء.
مروحة التيار المستمرMinebea1606KL-04W-B50مكون من الروبوت الذي تتحكم فيه الحشرات لامتصاص الهواء الذي يحتوي على رائحة.
مستشعر الماوس البصريتقنيات AgilentHDNS-2000أحد مكونات الروبوت الذي تسيطر عليه الحشرات ، تم الحصول عليه من ماوس بصري (M-GUWSRSV ، Elecom ، اليابان).
محرك بدون فرشMaxonEC-45أحد مكونات الروبوت الذي تتحكم فيه الحشرات لقيادة العجلة.
البوليسترين البيضاءأحد مكونات الروبوت الذي تسيطر عليه الحشرات. قطر 50 مم ، كتلة حوالي 2 جم.
بومبيكول:
(E ، Z) -10،12-hexadecadien-1-ol
Shin-Etsu الكيميائيةالتوليف المخصص.
n-hexaneWako085-00416مذيب ل bombykol.
نفق الرياحنوع سحب الهواء المخصص، بحجم 1،800 مرة ؛ 900 مرة ؛ 300 مم لتر ومرات ؛ W & مرات ح.
برنامج BioSignalمخصصبرنامج لإنشاء اتصال تسلسلي بين الروبوت الذي تسيطر عليه الحشرات وجهاز كمبيوتر عبر البلوتوث. تستخدم لإرسال أوامر لبدء / إيقاف الروبوت أو تكوين خصائص محركه.
كاميرا الفيديوسونيHDR-XR520Vالتقاط حركات الروبوت.
نحاسي كرة

References

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Murlis, J., Jones, C. D. Fine-scale structure of odor plumes in relation to insect orientation to distant pheromone and other attractant sources. Physiol Entomol. 6, 71-86 (1981).
  2. Vergassola, M., Villermaux, E., Shraiman, B. I. 'Infotaxis' as a strategy for searching without gradients. Nature. 445, 406-409 (2007).
  3. Kowadlo, G., Russell, R. A. Robot Odor Localization: A Taxonomy and Survey. The International Journal of Robotics Research. 27, 869-894 (2008).
  4. Hernandez Bennetts, V., Lilienthal, A. J., Neumann, P. P., Trincavelli, M. Mobile robots for localizing gas emission sources on landfill sites: is bio-inspiration the way to go. Frontiers in neuroengineering. 4, 20(2011).
  5. Vickers, N. J. Mechanisms of animal navigation in odor plumes. Biol Bull. 198, 203-212 (2000).
  6. Willis, M. A. Chemical plume tracking behavior in animals and mobile robots. Navigation. 55, 127-135 (2008).
  7. Carde, R. T., Willis, M. A. Navigational strategies used by insects to find distant, wind-borne sources of odor. J Chem Ecol. 34, 854-866 (2008).
  8. Frye, M. A. Multisensory systems integration for high-performance motor control in flies. Curr Opin Neurobiol. 20, 347-352 (2010).
  9. Russell, R. A. Survey of robotic applications for odor-sensing technology. The International Journal of Robotics Research. 20, 144-162 (2001).
  10. Russell, R. A., Bab-Hadiashar, A., Shepherd, R. L., Wallace, G. G. A comparison of reactive robot chemotaxis algorithms. Robot Auton Syst. 45, 83-97 (2003).
  11. Ishida, H., Nakamoto, T., Moriizumi, T., Kikas, T., Janata, J. Plume-tracking robots: a new application of chemical sensors. Biol Bull. 200, 222-226 (2001).
  12. Webb, B., Harrison, R. R., Willis, M. A. Sensorimotor control of navigation in arthropod and artificial systems. Arthropod Struct Dev. 33, 301-329 (2004).
  13. Kanzaki, R. How does a microbrain generate adaptive behavior. Int Congr Ser. 1301, 7-14 (2007).
  14. Kanzaki, R., Ando, N., Sakurai, T., Kazawa, T. Understanding and reconstruction of the mobiligence of insects employing multiscale biological approaches and robotics. Adv Robotics. 22, 1605-1628 (2008).
  15. Ravel, N., et al. Multiphasic on/off pheromone signalling in moths as neural correlates of a search strategy. Plos One. 8, 61220(2013).
  16. Emoto, S., Ando, N., Takahashi, H., Kanzaki, R. Insect-controlled robot-evaluation of adaptation ability. J Robot Mechatronics. 19, 436-443 (2007).
  17. Ando, N., Emoto, S., Kanzaki, R. Odour-tracking capability of a silkmoth driving a mobile robot with turning bias and time delay. Bioinspir Biomim. 8, 016008(2013).
  18. Gatellier, L., Nagao, T., Kanzaki, R. Serotonin modifies the sensitivity of the male silkmoth to pheromone. J Exp Biol. 207, 2487-2496 (2004).
  19. Ando, N., Kanzaki, R. A simple behaviour provides accuracy and flexibility in odour plume tracking - the robotic control of sensory-motor coupling in silkmoths. J. Exp. Biol. 218, 3845-3854 (2015).
  20. Kaissling, K. E. Insect olfaction. Handbook of Sensory Physiology Vol. 4. Beidler, L. M. , Springer-Verlag. 351-431 (1971).
  21. Kanzaki, R., Sugi, N., Shibuya, T. Self-generated zigzag turning of Bombyx mori males during pheromone-mediated upwind walking. Zool Sci. 9, 515-527 (1992).
  22. Takasaki, T., Namiki, S., Kanzaki, R. Use of bilateral information to determine the walking direction during orientation to a pheromone source in the silkmoth Bombyx mori. J Comp Physiol. A. 198, 295-307 (2012).
  23. Kanzaki, R. Coordination of wing motion and walking suggests common control of zigzag motor program in a male silkworm moth. J Comp Physiol A. 182, 267-276 (1998).
  24. Pansopha, P., Ando, N., Kanzaki, R. Dynamic use of optic flow during pheromone tracking by the male silkmoth, Bombyx mori. J Exp Biol. 217, 1811-1820 (2014).
  25. Loudon, C., Koehl, M. A. R. Sniffing by a silkworm moth: Wing fanning enhances air penetration through and pheromone interception by antennae. J. Exp. Biol. 203, 2977-2990 (2000).
  26. Lebedev, M. A., Nicolelis, M. A. L. Brain-machine interfaces: past, present and future. Trends Neurosci. 29, 536-546 (2006).
  27. Ejaz, N., Peterson, K. D., Krapp, H. G. An experimental platform to study the closed-loop performance of brain-machine interfaces. Journal of visualized experiments : JoVE. , (2011).
  28. Minegishi, R., Takashima, A., Kurabayashi, D., Kanzaki, R. Construction of a brain-machine hybrid system to evaluate adaptability of an insect. Robot Auton Syst. 60, 692-699 (2012).
  29. Martinez, D., Arhidi, L., Demondion, E., Masson, J. B., Lucas, P. Using insect electroantennogram sensors on autonomous robots for olfactory searches. Journal of visualized experiments : JoVE. , e51704(2014).
  30. Ortiz, L. I. A mobile electrophysiology board for autonomous biorobotics. , The University of Arizona. MS thesis (2006).
  31. Bohil, C. J., Alicea, B., Biocca, F. A. Virtual reality in neuroscience research and therapy. Nat Rev Neurosci. 12, 752-762 (2011).
  32. Dombeck, D. A., Reiser, M. B. Real neuroscience in virtual worlds. Curr Opin Neurobiol. 22, 3-10 (2012).
  33. Roth, E., Sponberg, S., Cowan, N. J. A comparative approach to closed-loop computation. Curr Opin Neurobiol. 25, 54-62 (2014).
  34. Leinweber, M., et al. Two-photon calcium imaging in mice navigating a virtual reality environment. Journal of visualized experiments : JoVE. , e50885(2014).
  35. Takalo, J., et al. A fast and flexible panoramic virtual reality system for behavioural and electrophysiological experiments. Sci Rep. 2, 324(2012).
  36. Bahl, A., Ammer, G., Schilling, T., Borst, A. Object tracking in motion-blind flies. Nat Neurosci. 16, 730-738 (2013).
  37. Bellmann, D., et al. Optogenetically Induced olfactory stimulation in Drosophila larvae reveals the neuronal basis of odor-aversion behavior. Front Behav Neurosci. 4, 27(2010).
  38. Gaudry, Q., Hong, E. J., Kain, J., de Bivort, B. L., Wilson, R. I. Asymmetric neurotransmitter release enables rapid odour lateralization in Drosophila. Nature. 493, 424-428 (2013).
  39. Tabuchi, M., et al. Pheromone responsiveness threshold depends on temporal integration by antennal lobe projection neurons. Proc Natl Acad Sci U S A. 110, 15455-15460 (2013).
  40. Schulze, A., et al. Dynamical feature extraction at the sensory periphery guides chemotaxis. Elife. 4, 06694(2015).
  41. Duistermars, B. J., Chow, D. M., Frye, M. A. Flies require bilateral sensory input to track odor gradients in flight. Curr Biol. 19, 1301-1307 (2009).
  42. Gomez-Marin, A., Duistermars, B. J., Frye, M. A., Louis, M. Mechanisms of odor-tracking: multiple sensors for enhanced perception and behavior. Front Cell Neurosci. 4, 6(2010).
  43. Sakurai, T., et al. A single sex pheromone receptor determines chemical response specificity of sexual behavior in the silkmoth Bombyx mori. Plos Genet. 7, (2011).
  44. Tripathy, S. J., et al. Odors pulsed at wing beat frequencies are tracked by primary olfactory networks and enhance odor detection. Front Cell Neurosci. 4, 1(2010).
  45. Daly, K. C., Kalwar, F., Hatfield, M., Staudacher, E., Bradley, S. P. Odor detection in Manduca sexta is optimized when odor stimuli are pulsed at a frequency matching the wing beat during flight. Plos One. 8, 81863(2013).
  46. Szyszka, P., Gerkin, R. C., Galizia, C. G., Smith, B. H. High-speed odor transduction and pulse tracking by insect olfactory receptor neurons. Proc Natl Acad Sci USA. 111, 16925-16930 (2014).
  47. Harvey, D., Lu, T. F., Keller, M. Odor sensor requirements for an insect inspired plume tracking mobile robot. Proceedings of'The 2006 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics. , 130-135 (2006).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Insect controlled RobotOdor tracking CapabilitySilkmoth ControllerMobile Robot PlatformAir supported BallOptical Sensor MeasurementWind Tunnel SetupPheromone StimulationMotor Gain ManipulationOlfactory Input Alteration

Related Articles