昆虫控制的机器人:移动机器人平台来评估昆虫的气味跟踪能力

摘要

本地化气味源的能力是必要的昆虫存活和预计适用于人工气味跟踪。昆虫控制机器人由一个实际silkmoth驱动，使我们可以通过一个机器人平台，以评估昆虫气味跟踪能力。

摘要

机器人气味源定位一直是一个具有挑战性的领域，生物学知识有望为这一领域做出贡献，因为寻找气味源是生物体生存的一项重要任务。昆虫是气味追踪方面经过充分研究的生物，它们的行为策略已被应用于移动机器人进行评估。这种"自下而上"的方法是开发仿生机器人的基本方法;然而，生物学分析和行为机制的建模仍在进行中。因此，目前尚不清楚这种生物系统实际上是如何作为机器人平台的控制器工作的。为了回答这个问题，我们开发了一种昆虫控制的机器人，其中雄性成年蚕蛾 （Bombyx mori） 驾驶机器人汽车以响应气味刺激;这可以看作是未来昆虫模仿机器人的原型。在机器人的驾驶舱中，一只系留的蚕蛾在空气支撑的球上行走，光学传感器测量球的旋转。这些旋转被转化为两轮机器人的运动。这种"混合"方法的优点是实验人员可以纵机器人的任何参数，从而能够评估昆虫的气味追踪能力，并为机器人气味追踪提供有用的建议。此外，这些作是改变飞行员昆虫的感觉-运动关系的非侵入性方法，将成为理解适应性行为的有用技术。

引言

能够找到气味来源的自主机器人对于社会的安全和保障非常重要。它们可用于检测灾难受害者、机场的药物或爆炸材料以及环境中的危险材料泄漏或泄漏。目前，我们完全依赖训练有素的动物（例如狗）来完成这些任务，并且强烈期望机器人气味源定位可以减轻这些动物的工作量。寻找气味来源对机器人来说是一项具有挑战性的任务，因为气味剂在大气中间歇性地分布¹;因此，并不总是可以对气味浓度梯度进行连续采样。因此，使用间歇性气味线索的搜索策略对于实现机器人气味源定位是必要的^2-4。

气味来源定位对于生物体的生存至关重要，包括寻找食物、交配伙伴和产卵地点等任务。为了克服追踪斑块状分布的气味剂的困难，生物体已经进化出各种行为策略，包括两种基本行为：在气味接收过程中向上游移动和在气味接收停止期间交叉移动^5,6。这些反应策略已在昆虫中得到充分证明，并进一步与其他方式相结合，例如风向和视觉^5-8。昆虫行为模型也是机器人学^3,9-11 的有用示例，其中行为算法或神经回路模型被实施到移动机器人中，用于评估气味源定位能力^10,12-15。从仿生学的角度来看，这种"自下而上"的方法无疑是开发仿生机器人的基本途径。然而，自下而上的方法并不是获得有用搜索策略的捷径，因为生物分析仍在进行中，昆虫行为背后的感觉运动系统的建模尚未完成。因此，目前尚不清楚这种生物系统实际上是如何作为机器人平台....

方案

1.实验动物

1. 准备一个塑料盒，以保持公silkmoths的蛹（ 桑蚕 ），直到他们的羽化。在底部放纸巾和纸板件周围的框（ 图1A）的内壁。
   注:纸板的作品是必要的成蛾，同时羽化（ 图1A）在扩大自己的翅膀举行。
2. 在框中放入雄silkmoth（ 家蚕铁道部 I）蛹，并让他们在一个孵化器，直到羽化16小时下:8小时光照:黑暗周期为25℃。
   注:雌雄蛹可以通过在腹部（ 图1B）的标志性受到歧视。
3. 收集成年雄蛾羽化后并将其移动到一个新的框。
4. 保持成年蛾在培养箱16小时以下:8小时光照:黑暗周期和降低温度至15℃，实验前，以减少它们的活性。

2.拴系Silkmoth

1. 附件制造的圈养（ 图2A）
   注意:该附件包括在其前端的薄塑料片的带材的铜导线。这确保行走（ 图2B）期间胸廓的背腹运动。
   1. 制备薄塑料片的带材，2×40毫米（厚度:0.1 MM），并在中间折叠。
   2. 折叠条附加到铜线用粘合剂的尖端。
   3. 弯，其中一个silkmoth的....

结果

我们在座的一个气味源的成功国产化所需的昆虫控制机器人的基本特征。机器人和silkmoths，气味递送系统的有效性，并准确双边嗅觉和视觉输入的重要性之间的比较被检查。

气味跟踪行为自如行走蛾和昆虫控制机器人之间的比较示于图10A和B.在相同气味的情况下，无论是行走蛾和机器人拿下100％的成功率（步行蛾，10次试验由N = 10飞蛾;机器人，7项由N = 7飞蛾）。虽然机器人相比，那些行走飞蛾展出更广泛的轨迹，有在规定的时间步行飞蛾和机器人之间的定位没有显著差异（P2; 0.05，Wilcoxon秩和检验;蛾，中位数= 46.5秒，IQR = 36.7，69.6;机器人，中位数= 48.1秒，IQR = 44.9，61.9）。

讨论

用于通过silkmoth机器人的成功控制的最重要的点是让蛾行走顺畅的空气支撑球和稳定地测量球的旋转。因此，圈养的silkmoth并在适当的位置将其安装在球在此协议中的关键步骤。蛾到附件或球上的蛾不适当定位不当粘附将导致在其上不自然的压力，这扰乱它的正常行走行为和/或引起该光学传感器的故障来测量球的旋转。粗糙化的聚苯乙烯球也很重要，以防止蛾打滑。系留蛾的响应的移动来刺激气味和随后的机器人的运动应之前的气味跟踪试验（见步骤3.6）进行仔细检查。

使用较大的球的更好，因为它降低了跑步机的曲率，它提供了一个近对于昆虫腿平面。相比在常规跑步机设置用于silkmoths这里使用的50毫米直径的球是相对较小（直径:75毫米^）24。然而，更大的（和更重的）球必须小心使用，因为球的惯性是不是在机器人的运动可以忽略不计。如果板载蛾不能由它的腿限制在机器人运动的球的惯性力引起的转动，机器人连续地振荡，而不受蛾任何行走。当实验者考虑使用其它昆虫物种的，因此，球大小应其腿夹具以及它们的大小的强度的基础上选择的。在气味源定位，实验者还应该检查的行为蛾是否板载蛾顺利走在球和机器人快速响应的.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
雄性成年蚕蛾 （Bombyx mori）			从卵中繁殖，或作为蛹购买。
培养箱	Panasonic	MIR-254	将蛹或成年蚕蛾储存在恒温 238 升。
塑料盒	Sunplatec	O-3	储存蛹或成蚕蛾，299 × 224 × 62 mm L ×W & 时间;H.
铜线			直径为 2 毫米。任何硬杆都可以用作制作拴住蚕蛾附件的替代品。
塑料片	国誉	VF-1420N	作为厚度为 0.1 毫米的高架投影仪胶片出售。在附件的尖端使用。
镊子	合一	5SA	去除胸部的鳞片。
胶粘剂	Konishi	G17	将蚕蛾粘合到附件上。
昆虫控制机器人	定制		轴承一台空气支撑跑步机、一个光学传感器、定制的基于 AVR 的微控制器板和两个直流无刷电机。它由 8 × 提供支持;AA 和 3 次（>006P 电池。
微控制器	Atmel	ATMEGA8	昆虫控制机器人的一个组件。
直流鼓风机	Nidec	A34342-55	控制机器人的一个组件，用于在空气支持的跑步机上漂浮球。
直流风扇	Minebea	1606KL-04W-B50	控制机器人的一个组件，用于吸入含有异味的空气。
光学鼠标传感器	Agilent technologies	HDNS-2000	昆虫控制机器人的一个组件，从光学鼠标（M-GUWSRSV，Elecom，日本）获得。
无刷电机	Maxon	EC-45	控制机器人的一个部件，用于驱动车轮。
白色聚苯乙烯球			昆虫控制机器人的部件。直径 50 毫米，质量约 2 克。
Bombykol： （E，Z）-10,12-十六二烯-1-醇	信越化学		定制合成。
正己烷	Wako	085-00416	bombykol 溶剂。
风洞	定制		抽气式 尺寸 1,800 & 次 900 & 次 300 毫米 L &次;W & 时间;H.
生物信号程序	自定义		通过蓝牙在昆虫控制的机器人和 PC 之间建立串行通信的程序。用于发送命令以启动/停止机器人或配置其电机属性。
摄像机	索尼	HDR-XR520V	捕捉机器人的动作。