昆虫控制机器人：用于评估昆虫嗅觉追踪能力的移动机器人平台

本实验的总体目标是评估用作移动机器人控制器的昆虫在追踪气味方面的能力。该方法可解决生物医学领域中的关键挑战，例如如何利用昆虫实现仿生移动机器人的导航。该技术的主要优势在于，我们可以直接将昆虫作为移动机器人的控制器，并评估其寻找气味源的能力。

该技术的意义在于有助于理解其他行为背后的生物学机制，因为研究者可以通过机器人操控改变昆虫体上的感觉-运动关系。实验开始时，首先选择一只年龄在2至8天之间的成年家蚕蛾。使用湿润的纸巾或棉签轻轻去除中胸背板上的所有鳞片，以暴露其表皮。

在附件末端的塑料条上涂抹粘合剂。然后，在暴露的中胸背板表面涂抹一些粘合剂，注意不要触碰翅基关节或前翅小翅片。等待五到十分钟，直至粘合剂不再具有黏性。

将蛾的中胸背板粘接到固定装置上。通过将固定装置固定在支架上，使蛾保持悬吊状态。在蛾的足下放置一张纸，使其能够休息。

用水清洗白色发泡聚苯乙烯小球的表面，以去除任何可能的嗅觉或视觉线索。然后，打开为 treadmill 供气的风扇。小球应悬浮在杯底上方约两毫米处。

使用螺丝将蛾子固定装置上的铜线连接到机器人驾驶舱内的固定装置上。确保蛾子的中足对准球体的中心位置。在保持球体高度不变的情况下，调整固定装置的垂直位置，使蛾子能够在球体上正常行走。

如有需要，可对固定住的蛾进行性信息素刺激，以检测其行走行为。检测固定住的蛾的行走行为对于确定蛾体在垂直方向上的正确位置至关重要，特别是当蛾表现出不规则行为或存在光感信号读取行为时。这两种情况都会直接影响机器人的运动结果。

开启抽气式风洞的气流，将风速设定为 0.7 米每秒。确保温度高于 20 摄氏度。将气味源置于横向风位置的中心，并位于网状面板下风向 25 厘米处。

打开机器人的微控制器板，并通过蓝牙与计算机建立串行连接。启动计算机与机器人之间的 BioSignal 程序界面。单击“关于设备”按钮，通过指定的 COM 端口向机器人发送指令以确认连接，然后检查是否收到机器人返回的消息。

单击“清除内存”按钮，以删除板载闪存中的任何先前运动数据。然后，按下“驱动模式1”按钮，将默认电机增益发送至机器人。单击“禁止驱动”，向机器人发送指令，使其在实验开始前保持静止状态。

将机器人放置在距离气味源下游 60 厘米的起始位置。打开电机驱动板的开关。接着，按下摄像机上的录制按钮，开始视频采集。

单击“记录开始”按钮，发送启动命令，该命令将启动机器人并同时开始将球体旋转数据记录到板载闪存中。机器人应开始移动并追踪气味羽流。当机器人定位到气味源或在四分钟内未能定位时，单击“记录停止”和“禁止行驶”按钮，发送命令以停止机器人和数据记录。

最后，按下摄像机的录制按钮以停止视频采集。还可以修改机器人的旋转速度和移动速度，以研究昆虫的补偿技能。为了测试非对称电机增益的影响，首先通过在文本编辑器中修改参数文件来设定旋转增益。

在 BioSignal 软件中，单击 setparam2 以读取已编辑的配置。然后，单击 drivemode2 将这些调整后的增益发送至机器人。如需调节嗅觉输入，请改变吸管管尖之间的间距。

或者，可颠倒两个气流的位置，以改变输送至每根触角的气味浓度。最后，可通过在顶部覆盖白纸，分别遮挡舟蛾水平和垂直视野的150度和90度，从而改变视觉输入。此处展示了自由行走的舟蛾与昆虫控制机器人在气味追踪行为上的比较。

在相同的气味条件下，行走的蛾类和机器人均达到了100%的成功率。尽管机器人表现出比行走蛾类更宽的运动轨迹，但在气味源定位所需时间上并无显著差异。气味输送系统对于向高置的蛾类触角提供气味气流是必要的。若无此系统，机器人便无法朝向气味源定向，而是持续绕圈直至停止。

通过改变管尖的位置，评估双侧嗅觉输入在气味追踪中的有效性。与对照组的标准宽管间距相比，机器人被设置为具有窄管间距、倒置的宽管间距或倒置的电机输出。在两种管间距条件下，机器人都达到了100%的成功率，且在定位时间上无显著差异。

相反，将管尖倒置会扩大运动轨迹并延长定位时间，但差异未达到显著水平。最后，在倒置电机的条件下，机器人持续绕圈，显著延长了定位时间。一旦掌握技巧，若操作得当，将蚕蛾装入降低的驾驶舱内可在十分钟内完成。

在进行该操作时，重要的是要始终轻柔地处理家蚕蛾，避免造成不必要的损伤。通过该方法，可开展长期实验，以进一步探究适应性行为背后的机制，例如昆虫是否能够学会操控被操纵的机器人身体。该技术在建立之后，为神经科学与机器人学领域的研究人员探索适应性行为机制及其在自主机器人控制中的应用开辟了道路。