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Autonome Roboter, die in der Lage sind, eine Geruchsquelle zu finden, können für die Sicherheit der Gesellschaft wichtig sein. Sie können zur Erkennung von Katastrophenopfern, von Drogen oder explosiven Materialien auf einem Flughafen sowie von Gefahrstoffaustritten oder Lecks in der Umwelt eingesetzt werden. Gegenwärtig verlassen wir uns für diese Aufgaben ausschließlich auf gut ausgebildete Tiere (z. B. Hunde), und es wurde stark erwartet, dass die robotische Lokalisierung von Geruchsquellen die Arbeitsbelastung dieser Tiere entlastet. Die Suche nach einer Geruchsquelle ist für Roboter eine herausfordernde Aufgabe, da Geruchsstoffe intermittierend in einer Atmosphäre verteilt werden1; Daher ist eine kontinuierliche Probenahme des Geruchskonzentrationsgradienten nicht immer möglich. Daher ist eine Suchstrategie mit intermittierenden Geruchshinweisen notwendig, um eine robotische Geruchsquellenlokalisierung2-4 zu erreichen.
Die Lokalisierung von Geruchsquellen ist essentiell für das Überleben von Organismen und umfasst Aufgaben wie das Finden von Nahrung, Paarungspartnern und Orten für die Eiablage. Um die Schwierigkeit zu überwinden, lückenhaft verteilte Geruchsstoffe zu verfolgen, haben Organismen verschiedene Verhaltensstrategien entwickelt, die aus zwei grundlegenden Verhaltensweisen bestehen: sich während der Geruchsaufnahme stromaufwärts und während der Beendigung der Geruchsaufnahme stromübergreifendbewegen 5,6. Diese reaktiven Strategien sind bei Insekten gut dokumentiert und werden mit anderen Modalitäten wie Windrichtung und Sicht5-8 kombiniert. Die Verhaltensmodelle von Insekten waren auch nützliche Beispiele für die Robotik3,9-11, in denen Verhaltensalgorithmen oder neuronale Schaltkreismodelle in mobile Roboter implementiert wurden, um die Fähigkeiten zur Lokalisierung von Geruchsquellenzu bewerten 10,12-15. Aus biomimetischer Sicht ist dieser "Bottom-up"-Ansatz sicherlich ein grundlegender Weg, um biomimetische Roboter zu entwickeln. Der Bottom-up-Ansatz ist jedoch keine Abkürzung, um eine nützliche Suchstrategie zu erhalten, da die biologischen Analysen noch nicht abgeschlossen sind und die Modellierung der sensomotorischen Systeme hinter dem Verhalten von Insekten noch nicht abgeschlossen ist. Daher ist noch nicht bekannt, wie ein solches biologisches System tatsächlich als Controller einer robotischen Plattform funktioniert.
In diesem Artikel demonstrieren wir das Protokoll eines einfachen "Top-Down"-Ansatzes zur Entwicklung eines mobilen Roboters zur Geruchsverfolgung, der von einem biologischen System gesteuert wird16,17. Der Roboter wird von einem echten Insekt gesteuert und kann als Prototyp zukünftiger insektenmimetischer Roboter angesehen werden. Im Cockpit des Roboters lief ein angebundener erwachsener männlicher Seidenspinner (Bombyx mori) auf einem luftgestützten Ball als Reaktion auf das weibliche Sexualpheromon, das durch Luftsaugrohre an jede Antenne abgegeben wurde. Die Ballrotationen, die durch das Gehen der Motte an Bord verursacht wurden, wurden von einem optischen Sensor gemessen und in die Bewegung des zweirädrigen Roboters übersetzt. Der Vorteil dieses "hybriden" Ansatzes besteht darin, dass die Experimentatoren untersuchen können, wie das sensomotorische System des Insekts auf der Roboterplattform funktioniert, wo sich ein Pilotinsekt in einer geschlossenen Schleife zwischen dem Roboter und einem realen Geruchsumstand befindet. Die Manipulation der Roboterhardware verändert den geschlossenen Kreislauf; Daher ist der insektengesteuerte Roboter eine nützliche Plattform sowohl für Ingenieure als auch für Biologen. Für das Engineering stellt der Roboter den ersten Schritt dar, um ein biologisches Modell anzuwenden, um die Anforderungen für robotische Aufgaben zu erfüllen. Für die Biologie ist der Roboter eine experimentelle Plattform, um die sensomotorische Steuerung in einem geschlossenen Regelkreis zu untersuchen.