Insekt gesteuerte Roboter: Ein mobiler Roboter-Plattform, die geruchs Tracking-Fähigkeit eines Insekts zur Bewertung

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 Geruchsquellenlokalisierung^2-4 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 stromübergreifend^{bewegen 5,6}. Diese reaktiven Strategien sind bei Insekten gut dokumentiert und werden mit anderen Modalitäten wie Windrichtung und Sicht^5-8 kombiniert. Die Verhaltensmodelle von Insekten waren auch nützliche Beispiele für die Robotik^3,9-11, in denen Verhaltensalgorithmen oder neuronale Schaltkreismodelle in mobile Roboter implementiert wurden, um die Fähigkeiten zur Lokalisierung von Geruchsquellen^{zu 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 wird^16,17. 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.

1. Versuchstier

1. Bereiten Sie eine Kunststoff - Box die Puppen der männlichen silkmoths (B. mori) bis zu ihrem Schlüpfen zu halten. Legen Sie Papiertücher an der Unterseite und Stücke Pappe um die Innenwand des Gehäuses (1A).
   Hinweis: Die Kartonstücke notwendig sind für die erwachsenen Motten zu halten , während ihre Flügel erstreckt während Schlüpfen (1A).
2. Setzen männlich silkmoth (Bombyx mor i) pupae in das Feld ein und halten sie in einem Inkubator bis Schlüpfen unter einem 16-h: 8-Stunden Licht: Dunkel - Zyklus bei 25 ° C.
   HINWEIS: Die männlichen und weiblichen pupae kann durch den Geschlechts Markierungen auf dem Bauch (1B) unterschieden werden.
3. Sammeln erwachsenen männlichen Motten nach dem Schlüpfen und verschieben Sie sie in ein neues Feld.
4. Halten Sie die Falter in einem Inkubator unter einer 16-h: 8-Stunden Licht: Dunkel-Zyklus und verringern Sie die Temperatur auf 15 ° C ihre Aktivität vor dem Experiment zu reduzieren.

2. Tethering ein Silkmoth

1. Herstellung eines Aufsatzes für Anbinden (2A)
   Hinweis: Die Befestigung besteht aus einem Kupferdraht mit einem Streifen aus einem dünnen Kunststoffblatt an seiner Spitze. Dies gewährleistet die dorsal-ventral Bewegung des Brustkorbs beim Gehen (2B).
   1. Bereiten Sie einen Streifen aus einem dünnen Plastikfolie, 2 × 40 mm (Dicke: 0,1 mm), und falten Sie es in der Mitte.
   2. Bringen Sie den gefalteten Streifen an der Spitze eines Kupferdraht mit einem Klebstoff.
   3. Biegen Sie die Spitze des gefalteten Streifens, wo der Thorax eines silkmoth angebracht ist.
2. Verwenden Falter (2-8 Tage alt) während der Lichtperiode für das Experiment.
   Anmerkung: Die Empfindlichkeit gegenüber dem Pheromon hängt stark von der zirkadianen Uhr ^18. Weil B. mori eine tagaktive Nachtfalter ist, muss das Experiment während der Lichtperiode durchgeführt werden.
3. Entfernen Sie vorsichtig alle Skalen auf der dorsal Thorax (mesonotum) ein Stück nasses Gewebe (oder Wattestäbchen) und setzen die Kutikula der mesonotum (2C) verwendet wird .
4. Fügen Sie einen Klebstoff auf dem Streifen aus Kunststoff auf der Anlage und auf der Oberfläche des freiliegenden mesonotum mit einem kleinen Schlitzschraubendreher und warten 5-10 Minuten, bis der Kleber nicht mehr klebrig.
   Hinweis: Der Klebstoff nicht die Flügelscharnier oder die forewing tegulae (Abbildung 2C) berühren.
5. Bindung, die die mesonotum zur Befestigung.
6. Halten Sie die moth gebunden, bevor sie im Cockpit des Roboters platziert. Halten Sie die Befestigung auf einem Stativ und legte ein Stück Papier unter den Beinen der Falter ruhen.

3. Insektengesteuerte Roboter

1. Entwerfen Sie die Hardware des Insekts gesteuerten Roboter auf der Grundlage früherer Arbeiten ^16,17,19.
   Hinweis: Das Insekt gesteuerten Roboter besteht aus einem luftgestützten Laufband mit einer optischen Maus Sensor capture das Insekt Fortbewegung, custom-built AVR-basierte Mikrocontroller - Boards für die Verarbeitung und Motorsteuerung sowie zwei DC Brushless - Motoren (3 und 4). Der Roboter kann mit 96% Genauigkeit oder höher ist, innerhalb einer Zeitverzögerung von 200 msec auf der Basis der Kugeldrehung auszuführen. Es sorgt auch für die Mobilität der maximalen Vorwärtsgeschwindigkeit (24,8 mm / sec) und die Winkelgeschwindigkeit (96,3 ° / sec) des silkmoth während Pheromon Nachführverhalten ^16. Der Luftstrom der Tretmühle (5A) und Geruchsabgabesystem (5B) sind für die Onboard - Motte auf den Ball zu gehen reibungslos und einen Geruch von zwei Antennen zu erwerben. Der Lufteinlass und Strömungskanal des Laufbandes von denen des Geruchsabgabesystem getrennt Kontamination des Pheromons zu vermeiden.
2. Entwerfen Sie die Software für die Onboard - Mikrocontroller basiert auf früheren Arbeiten ^16.
   Hinweis: Die integrierte Mikrocontroller berechnet ter Roboterbewegungen von der Insekten Lokomotion mit einem optischen Sensor gemessen wird (Rotations, Δ x; Translations, Δ y; 6). Die Distanz (Δ L) und Drehwinkel (Δθ) pro Zeiteinheit des Roboters auf der Grundlage der Entfernung von jedem Rad berechnet (links, Δ L _L, rechts, Δ L _R) wie Δ L = (Δ L _L + Δ L _R) / 2 und Δθ = (Δ L _L - Δ L _R) / D _Rad, wobei D _Rad ist der Abstand zwischen den beiden Rädern (120 mm). Δ L _L und Δ L _R werden weiter als Δ L _L beschriebenen = Δ L _{x, L} + Δ L _{y, L} und Δ L _R = Δ L _{x, R} + Δ L _{y, R,} wobei Δ L _{x, L <}/ sub> und L _{x Δ, R} die Wegstrecken der Räder auf der linken und rechten Seite gesteuert durch Δ x und Δ _{y L, L} und L Δ _{y sind,} sind diejenigen , die durch _R Δ y gesteuert. Idealerweise Δ L _{x, L} und Δ L _{x, R} wie Δ L _{x, L} = -Δ L _{x, R} = G Δ x (D _Rad / D - _Ball) und Δ L _{y, L} und Δ L _y beschrieben _{, R} sind als Δ L _{y, L} = Δ L _{y, R} = G Δ y beschrieben ist , wobei G die Motorverstärkung und D _Kugel ist , ist der Durchmesser der Kugel (50 mm). In der Praxis wird die Motorverstärkung von jeder Seite (links oder rechts Rad) und jede Richtung (Vorwärts- oder Rückwärtsdrehung) unabhängig eingestellt, um die Roboterbewegung zu kalibrieren. Die unabhängige Verstärkungen lassen weiter für dieEinstellung von asymmetrischen Motordrehung eine Dreh Vorspannung des Roboters zu erzeugen (siehe Schritt 6.1).
3. Waschen Sie die Oberfläche eines weißen expandiertem Polystyrol Kugel (Masse: ca. 2 g, Durchmesser: 50 mm) mit Wasser mögliche Geruchs oder visuelle Hinweise zu entfernen.
   Hinweis: Die Oberfläche eines Balles sollte mit feinem Schleifpapier, wie P400 aufgeraut werden, was den Griff der Beine auf den Ball sicher.
4. Schalten Sie das Gebläse , die Luft bei 9 V zu dem Laufband und schwimmt die Kugel (5A) liefert. Beachten Sie die Kugel schweben etwa 2 mm vom Boden des Bechers.
5. Mit Hilfe einer Schraube, befestigen Sie den Kupferdraht der Anlage mit dem Falter (siehe Schritt 2) an einer Halterung im Cockpit des Roboters (Abbildung 3 Einsatz sehen). Stellen Sie sicher , dass die Position der Mittelschenkel in der Mitte der Kugel (7A) ist.
6. Stellen Sie die vertikale Position der Befestigung der Motte zu ermöglichen, die üblicherweise auf dem b zu gehenalle. Halten Sie den Ball auf gleicher Höhe vor und nach dem Motte (7B) zu befestigen.
   Hinweis: Eine zu niedrige Position des Befestigungsdruck auf die Motte fügt hinzu und entlockt rückwärts zu Fuß den Druck (7C) zu widerstehen, während eine zu hohe Position instabil zu Fuß und Ausfälle des Sensors verursacht aufgrund von Änderungen in der vertikalen Position die Kugel (Abbildung 7D). Um den normalen Laufverhalten zu überprüfen, ein Single-paffte Pheromon Stimulus verwendet wird auszulösen in der Motte zu Fuß (für den Pheromon Reiz, siehe Schritt 4). Beachten Sie, dass der Testreiz minimal sein muss, weil frühere Exposition zu Bombykol gewöhnt silkmoths und verringert ihre Empfindlichkeit (Matsuyama und Kanzaki, nicht veröffentlichte Daten).

4. Geruchsquelle Vorbereitung

Hinweis: männlich B. mori an die Hauptkomponente des conspecific Pheromon weiblichen Geschlechts empfindlich sind (Bombykol: (E, Z) -10,12-hexadecadien-1-ol)

1. Drop 10 ul der Bombykol Lösung gelöst in n-Hexan (200 ng / & mgr; l) auf einem Stück Filterpapier (etwa 10 mm × 10 mm). Die Menge an Bombykol pro Stück Filterpapier ist 2000 ng.
   Hinweis: ein Pheromon Stimulus Patrone in diesem Schritt die normale Laufverhalten der Motte zu überprüfen, vorzubereiten. Die Patrone ist ein Glaspasteurpipette mit einem Stück Filterpapier, enthaltend 2,000 ng Bombykol. Schieben einer Glühlampe bläht die Luft, die Bombykol.

5. Geruchslokalisation Experiment

1. Schalten Sie den Ventilator einer Zieh-Luft-Art Windkanal (1.800 × 900 × 300 mm, L × B × H; 8) und stellen Sie die Windgeschwindigkeit auf 0,7 m / sec. Sicherzustellen, dass die Temperatur mehr als 20 ° C ist.
2. Stellen Sie die Geruchsquelle (die pIECE aus Filterpapier enthält Bombykol) vor dem Windkanal.
   Hinweis: Die plume Breite sollte durch Verwendung von TiCl ₄ ^17,19 vor dem Experiment bestätigt werden.
3. Schalten Sie den Mikrocontroller-Board des Roboters und stellen Sie eine serielle Verbindung zu einem PC über Bluetooth.
4. Starten Sie eine maßgeschneiderte Java-Programm namens "Biosignalverarbeitung", die eine Schnittstelle zwischen dem PC und dem Roboter zur Verfügung stellt.
   Hinweis: Das Hauptfenster enthält Tasten für Befehle an den Roboter, Textfenster zum Anzeigen der Ein- und Ausgabe der seriellen Kommunikation zu senden, und kleine Boxen Parameter zu konfigurieren. Die nachfolgenden Befehle werden durch Klicken auf entsprechende Schaltflächen in diesem Programm gesendet, mit Ausnahme der Videoaufnahme.
5. Klicken Sie auf das "über Gerät", um die Verbindung zu bestätigen, indem Sie einen Befehl an den Roboter über den angegebenen COM-Port zu senden und prüfen, ob eine Nachricht vom Roboter zurückgeführt wird.
6. Klicken Sie auf das "Memory Lösch "Taste vorherige Bewegungsdaten auf dem internen Flash-Speicher links zu löschen.
7. Klicken Sie auf den "drivemode1", um die Standard-Motor gewinnt an den Roboter zu senden.
   Hinweis: Die Manipulationen der Motor Gewinne und die Zeitverzögerung zwischen Insekten Lokomotion und Roboterbewegung sind nach diesem Schritt angewendet (siehe Schritte 6.1 und 6.3, Abbildung 9).
8. Klicken Sie auf das "nicht fahren", um einen Befehl zu senden, um den Roboter zu immobilisieren, bis das Experiment beginnt.
9. Setzen Sie den Roboter an einer Startposition (600 mm hinter der Geruchsquelle) und schalten Sie den Schalter des Motortreiberplatine.
10. Drücken Sie die Aufnahmetaste des Camcorders Video-Capture zu starten.
11. Klicken Sie auf den "Aufnahmestart", um einen Startbefehl zu senden, um den Roboter mit einer gleichzeitigen Aufnahme der Kugeldrehung auf dem internen Flash-Speicher zu initiieren. Beachten Sie, dass der Roboter zu bewegen beginnt und verfolgt die Geruchsfahne.
12. Klicken Sie auf"Rec stop" und "nicht fahren" Tasten Befehle zu senden, sowohl die Roboterbewegung und die Aufnahme zu stoppen, wenn der Roboter die Geruchsquelle lokalisiert.
13. Drücken Sie die Aufnahmetaste des Camcorders Video-Capture zu stoppen.
14. Herunterladen aufgezeichnet Bewegungsdaten aus dem integrierten Flash-Speicher an den Computer über eine serielle Verbindung. Schließe das Programm.

6. Manipulation des Insektengesteuerten Roboter

Anmerkung: Der Zeitpunkt jeder Manipulation ist in Figur 9 angedeutet ist .

1. Manipulation des Motors gewinnt
   Anmerkung: Diese Manipulation ändert die Translations- und Rotationsgeschwindigkeit des Roboters. Asymmetrische Motor Gewinne erzeugen eine Dreh Vorspannung, die verwendet werden können , zu untersuchen , wie Insekten für die Vorspannung ¹⁷ kompensieren.
   1. Definieren die Dreh Verstärkungen für Vorwärts- und Rückwärtsdrehung des Motors auf jeder Seite ¹⁷ (6B) und bearbeite tene-Konfigurationsdatei "param2.txt" mit einem Texteditor benannt.
   2. Klicken Sie auf das "set param2", um die bearbeitete Konfigurationsdatei in der Software lesen. Dann klicken Sie auf den "drivemode2", um die manipulierte Gewinne an den Roboter senden.
2. Inversion der Motorausgangs
   Anmerkung: Diese Manipulation stellt eine Bedingung ähnlich zu der Inversions bilateraler olfaktorischen Eingang (siehe Schritt 6.4) und können verwendet werden , die Bedeutung der bilateralen olfaction zu untersuchen. die Umkehrung der Motorleistung kehrt jedoch auch selbstinduzierte visuelle Bewegung eines Onboard-Motte. Die Auswirkungen der invertierte selbstinduzierte visuelle Eingabe ¹⁹ kann durch einen Vergleich mit dem invertierten Eingangs olfaktorischen ausgewertet werden.
   1. Kehren Sie die bilateralen Motorsteuerung durch die Steuerkabel überquert für jeden Motor.
3. Eine Manipulation der Zeitverzögerung zwischen Insekten Lokomotion und Roboterbewegung.
   Hinweis: Diese Manipulationermöglicht die Untersuchung der akzeptablen Zeitraums auf sensomotorische Verarbeitung für die Robotergeruchs Tracking ausgegeben. Der Mikrocontroller speichert die Bewegungsdaten auf einem Pufferspeicher, und verarbeitet sie nach der festgelegten Zeitverzögerung. Beachten Sie, dass der Roboter eine maximale interne Zeitverzögerung von 200 msec hat; Daher wird die tatsächliche Zeitverzögerung erwartet die spezifizierte Zeitverzögerung plus 200 msec ^16,17 sein.
   1. Geben Sie eine Nummer (0 bis 10) in einem kleinen Feld des Hauptfensters eine Zeitverzögerung von 0-1.000 ms bei 100 ms Schritten angeben.
   2. Klicken Sie auf die "set Verzögerung", um die Zeitverzögerung zu übernehmen.
4. Manipulation des olfaktorischen Input.
   Hinweis: Dieses Manipulation verwendet werden , um die Bedeutung der bilateralen olfaktorischen Input zu untersuchen. Der starke Anstieg Richtung silkmoths ist auf der höheren Konzentration Seite ²² vorgespannt ist .
   1. Ändern Sie den Abstand zwischen den Absaugschlauch Tipps oder ihre Positionen umkehren zu verändern, dieUnterschied in der Geruchsstoffkonzentration von jeder Antenne erfasst.
5. Manipulation von visuellen Input
   Hinweis: Diese Manipulation ist es, die Rolle der visuellen Input für die Geruchsverfolgung zu untersuchen.
   1. Decken Sie den Baldachin mit einem weißen Papier, das 105 ° und 90 ° von der horizontalen und vertikalen Sichtfeld des onboard Motte okkludiert sind.

Wir stellen hier die grundlegenden Eigenschaften des Insekts gesteuerten Roboter für die erfolgreiche Lokalisierung einer Geruchsquelle erforderlich. Der Vergleich zwischen dem Roboter und silkmoths, die Wirksamkeit der Geruchsabgabesystems, und die Bedeutung der genauen bilateralen olfaktorische und visuelle Eingänge untersucht.

Der Vergleich von geruchs Tracking - Verhalten zwischen frei-Walking Motten und das Insekt gesteuerte Roboter ist in 10A und B gezeigt. Unter den gleichen Geruch Umständen sowohl die Wander Motten und die Roboter erzielte Erfolgsquote von 100% (Fuß Motte, 10 Studien , die von N = 10 Motten, Roboter, 7 Studien mit N = 7 Motten). Obwohl der Roboter breiteren Bahnen im Vergleich zu denen der Wander Motten zeigten, gab es keinen signifikanten Unterschied in der Zeit , sich auf die Lokalisierung zwischen den Wander Motten und dem Roboter (P2; 0,05, Wilcoxon-Rangsummentest; Motte, Median = 46,5 sec, = IQR 36,7, 69,6; Roboter, Median = 48,1 sec, = IQR 44,9, 61,9).

Die Geruchsabgabesystem (5B) ist notwendig , um die Geruchsstoffströmung nahe dem Boden zu den Antennen des Bord Motte Versorgung 90 mm über dem Boden platziert. Ohne dieses System (Saugrohre, Lüfter und dem Vordach) könnte der Roboter nicht in Richtung auf die Geruchsquelle orientieren und weiter kreisen , bis er angehalten (alle 10 Versuche mit N = 5 Motten versagt, 10C). Nach programmiert silkmoth Verhalten ist eine kontinuierliche Umkreisen ein typisches Verhalten , wenn ein silkmoth während der Orientierung 21,22 das Pheromon zu kontaktieren ausfällt.

Abbildung 11 zeigt die repräsentative Ergebnisse die Manipulationen des Roboters zeigt. Die Wirksamkeit eines bilateralen olfaktorischen Eingang für geruchs Tracking wurde evaluated, indem die Position der Rohrspitzen zu ändern (Schritt 6.4) oder durch die Motorausgangs Invertieren (Schritt 6.2). Der Roboter erreicht die Erfolgsraten von 100% mit zwei verschiedenen Lücken zwischen den linken und rechten Rohren (große Lücke [Steuerung], 90 mm, 10 Versuche von N = 10 Motten; schmaler Spalt, 20 mm, 10 Studien , die von N = 10 Motten; 11A, B), und es gab keinen signifikanten Unterschied in der Zeit , um die Lokalisierung zwischen diesen beiden Rohrpositionen (P> 0,05, Steel - Test; 11E). Auf der anderen Seite (erhielt jede Antenne das Odoriermittel von der Gegenseite, Rohrabstand = 90 mm), die Inversion von Rohrspitzen entlang der Seitenwindrichtung Trajektorien erweitert und leicht erhöht den Median der Zeit-Lokalisierung, obwohl es keinen signifikanten Unterschied ( P> 0,05, Steel - Test; 11C, E). Die Umkehrung der Motorausgangs stellt eine ähnliche Situation wie die invertierte olfactory-Eingang; Des Weiteren ist es invertiert auch die selbstinduzierte visuelle Bewegung durch den Bord Falter empfangen. Wegen der umgekehrten negativen visuelle Rückmeldung (dh positive Rückkopplung), der Roboter kreisen fortgesetzt, auch in der Geruchsfahne (11D), die erheblich die Zeit - Lokalisierung verlängert (P <0.01, Steel - Test; 11E). Die Erfolgsraten des invertierten olfaktorischen Eingang (C) und das invertierte Motorausgang (D) wurden 80% (10 Studien von N = 10 Motten) und 90,9% (11 Studien von 11 Motten), respectively. Eine ausführliche Diskussion der sensorisch-motorischen Kontrolle in silkmoths ist in der bisherigen Arbeit 19 beschrieben.

Abbildung 1. Das Speichern von silkmoth pupae. (A) Männliche Puppen sind in einer Kunststoff - Box (links) gespeichert. Die erwachsenen Motten halten die Pappe um die Innenwand des bOchse während Schlüpfen (rechts). (B) Sex Markierungen von Puppen. Jeder Pfeil zeigt einen kleinen Fleck auf der Bauchseite des neunten Abdominalsegment des männlichen und einem "X" mit einer feinen, Längslinie auf der Bauchseite des achten Abdominalsegment des Weibchens. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 2. eine silkmoth Tethering. (A) Herstellung eines Aufsatzes für eine silkmoth Anbinden. Die drei Schritte sind in 2.1.1 bis 2.1.3 (siehe Text) beschrieben. Eine zweifache Streifen aus dünnen Plastikfolie an der Spitze des Kupferdrahtes angebracht wurde, der die dorsalen-ventralen Bewegung absorbiert (siehe 2B) des mesonotum während des Gehens. Die andere, gebogene Spitze des Drahtes ist für handling. (B) Höhere und niedrigere Einstellung eines silkmoth während Pheromon - Tracking (siehe den Winkel zwischen Femur und Tibia der Vorderbeine [Pfeile]). (C) Entfernung der Schuppen auf der mesonotum (durch Pfeile gekennzeichnet). Die linken und rechten Bilder zeigen vor und nach der Entfernung von Schuppen sind. Die forewing tegulae intakt waren (durch gestrichelte Linien umgeben). Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 3. Insektengesteuerte Roboter. Der Einschub zeigt eine vergrößerte Ansicht des Cockpits. (1) Ein tethered silkmoth auf einem Laufband (ein luftgestützter Ball, siehe kleines Bild), (2) zwei Lüfter zum Zuführen eines Geruchs dem Motte (Luftgeschwindigkeit 0,5 m / s), (3) Saugrohre für die Aufnahme der Geruch, (4) Gleichstrommotoren und wheels, (5) Mikrocontroller-Boards, (6) ein Lufteinlassluft, um den Ball zur Zuführung (7) Tracking-Marker für die Offline-Videoanalysen (8) zwei LEDs konstante Beleuchtung im Cockpit (280 lx), zu halten (9 ein Anhang) für die silkmoth Anbindehaltung, und (10) eine Befestigung der Anlage. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 4. Hardware - Diagramm. Die Drehung des Tragluft Kugel in dem Laufband wurde mit einem optischen Maus-Sensor mit einer Auflösung von 0,254 mm bei einer Abtastrate von 1,5 kHz gemessen. Die Mikrocontroller die Flugbahn des silkmoth aus dem Sensorausgang und zwei gesteuerte Gleichstrommotoren auf der linken und der rechten Seite berechnet. Die Motoren wurden durch Pulsbreitenmodulation bei 1 kHz, mit Stellungsrückmeldung angetriebenvon integrierten Hall-Sensoren. Die optische Sensorausgang (dh Verhalten des onboard moth) wurde auf einem internen Flash - Speicher (8 Mbit) mit einer Abtastrate von 5 Hz gespeichert. Diese Daten wurden für den Vergleich des Verhaltens des Onboard-Motte mit Roboterbewegungen. Die drahtlose Kommunikation zwischen einem Computer (PC) und dem Roboter wurde über Bluetooth erreicht, die nur für das Senden von Befehlen verwendet wurde, zu starten und den Roboter zu stoppen, oder die Motoreigenschaften des Roboters zu manipulieren. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 5. Airflow Designs für das Laufband und dem Geruch Delivery - System. (A) Airflow den Ball aus dem Laufband zu unterstützen. Die Luft wurde aus dem Lufteinlass hinter dem Cockpit durch ein Gebläse fa genommenn; es floss dann durch einen Kanal und blies von kleinen Löchern aus (1 mm Durchmesser) auf einem maßgeschneiderten FRP Tasse (kleines Bild). Die Draufsicht auf den Becher von einem roten Rechteck umgeben ist in dem Einsatz gezeigt. Rote Pfeile zeigen Luftstrom; Der weiße Pfeil, der optische Sensor mit einer LED-Sender; und der schwarze Pfeil, die Tasse mit kleinen Löchern. (B) Der Luftstrom des Geruchsabgabesystems. Die Luft, die Pheromon enthält, wurde von der Spitze eines flexiblen Polyethylenrohr auf jeder Seite angesaugt, mit einer Trennwand in der Haube getrennt und an die Antenne auf der ipsilateralen Seite geliefert. Airflow auf jeder Seite wird durch rote oder blaue Pfeile gekennzeichnet. Diese Zahl wurde von Ando und Kanzaki modifiziert 19. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 6. Berechnung der Roboterbewegung von Insektenfortbewegung. (A) Eine schematische Zeichnung des Roboters (Δ L) und Radbewegungen (links, Δ L L und rechts, Δ L R). Δθ, drehen Winkel des Roboters. (B) Die Parameter für die Berechnung. Δ x und Δ y die Rotations- und Translationsbewegungen eines Kugel repräsentieren (ein positiver Wert zeigt die im Uhrzeigersinn oder Vorwärtsrichtung); D Ball, der Durchmesser der Kugel; D Räder, wobei der Abstand zwischen den Rädern; G FW, L und G BW, L, Motor Gewinne von vorne (FW) oder rückwärts (BW) Drehung des linken Rades (L); G FW, R und G BW, R, Motor Gewinne von Vorwärts- oder Rückwärtsdrehung des rechten Rades (R). Bitte klicken siee eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 7. Die Einstellung der Position eines tethered Motte auf dem Laufband. (A) Die Seitenansicht eines tethered Motte auf einer Kugel. Die mittleren Beine sollten im oberen Bereich der Kugel (schwarzer Pfeil) platziert werden. (B) Die entsprechende vertikale Position der Motte. Der optische Sensor hinter dem Motte steht vor der Mitte der Kugel. Normaler Vorwärtslaufen dreht den Ball im Uhrzeigersinn (von der linken Seite aus gesehen). (C) Die vertikale Position zu niedrig ist (Pfeil nach unten). Die silkmoth erweitert die Vorderbeine den Druck zu widerstehen und dreht die Kugel nach hinten (Drehung gegen den Uhrzeigersinn). (D) Die vertikale Position zu hoch ist (Pfeil nach oben). Die Motte hält den Ball und hebt ihn auf. Obwohl die Motte in dieser Situation zu Fuß nach vorne durchführen können 23 Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 8. Windkanal. Die Luft wurde mit einem Mesh-Panel (roter Pfeil) gefiltert; es trat dann in den Aufnahmebereich eines Camcorders, 1500 (L) × 900 (W) mm. Die Geruchsquelle wurde stromaufwärts von dem Aufzeichnungsbereich angeordnet, und die Pheromon-kontaminierter Luft außerhalb durch einen Ventilator (blauer Pfeil) erschöpft. Der Windkanal wurde aus extrudiertem Polystyrolschaum. Die Decke war eine transparente Acrylplatte, und der Boden war eine Gummimatte Verrutschen der Roboter Räder zu vermeiden. Die Geruchsquelle wwie in der Mitte der Seitenwind Position und 250 mm in Windrichtung aus dem Mesh-Panel platziert. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 9. Timings von Manipulationen des Roboters in dem Protokoll. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 10. Geruchslokalisation Test. Jedes Panel zeigt die Flugbahnen der silkmoths (A; 10 Studien , die von N = 10 Motten; Daten von Ando et al . 17), das Insekt Roboter ( N = 7 Motten) und dem Roboter ohne Geruchsabgabesystem (C; 10 Studien von N = 5 Motten). Die Motten oder der Roboter gestartet 600 mm Abwind (Pfeilspitze) von einer Geruchsquelle (Kreuzmarkierung, ein Stück Filterpapier mit 2.000 ng Bombykol). Die Versuche mit dem kürzesten oder die längste Zeit für die Lokalisierung genommen werden als rote und blaue Linien angedeutet ist. Die anderen erfolgreichen Studien sind grau gefärbt, und gescheiterte Versuche sind grün. Ein Kreis zeigt den Torraum Erfolg bei der Lokalisierung für die Beurteilung. Der Radius des Torraum wurde auf der Basis der Größe des Roboters definiert ist , entspricht dem kürzesten Abstand zwischen dem onboard moth und der Geruchsquelle 17. Ein Pfeil zeigt Windrichtung (Windgeschwindigkeit: 0,7 m / s), und gestrichelte Linien die Grenzen der Pheromonwolke anzeigen. Bitte klicken Sie hier ein , um zu vergrößernVersion dieser Figur.

Abbildung 11. Manipulation des olfaktorischen Input und die Motorleistung. Jedes Panel zeigt erfolgreiche Flugbahnen des Roboters (der Position der an Bord moth) mit einem Breitrohrspalt (A, Kontrolle, 90 mm, erfolgreich in allen 10 Versuchen mit N = 10 Motten), ein schmaler Spalt (B; 20 mm , erfolgreich in allen 10 Versuchen mit N = 10 Motten), einem umgekehrten Breitrohrspalt (C; erfolgreich in 8 von 10 Versuchen, N = 10 Motten), und eine breite Rohrspalt mit invertierten Motorausgang (D; erfolgreich 10 von 11 Versuchen, = N 11 Motten). Die repetitiven Luft bläht durch ein Stück Filterpapier enthält 2.000 ng Bombykol wurden aus dem Kreuzzeichen freigegeben. Die grauen und weißen Pfeile mit dem Roboter zeigen die Orientierungen der bilateralen olfaktorischen Input und motor Ausgang. Die anderen experimentellen Bedingungen und Figurenbeschreibungen sind die gleichen wie in 10. (E) Zeit bis zur Lokalisierung des Roboters unter den vier Bedingungen (AD). Individuelle Daten werden in einer Box-Plot zusammengefasst. Die linken und rechten Seite der Box zeigen die erste und dritte Quartil und die Balken stellt den Median. Die Whisker zeigen die 1,5 × Quartilsabstand. Sternchen zeigen einen signifikanten Unterschied von den Steuerdaten (A) gemäß Stahl-Test (** P <0,01). Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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