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

Das übergeordnete Ziel dieses Experiments ist es, die Fähigkeit eines Insekts zur Geruchsverfolgung zu bewerten, das als Steuerung eines mobilen Roboters verwendet wird. Diese Methode kann zentrale Herausforderungen im Bereich der Biomedizin angehen, wie z. B. die Verwendung von Insekten in der biomimetischen mobilen Roboternavigation. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass wir ein Insekt direkt als Steuerung eines mobilen Roboters verwenden und seine Fähigkeit bewerten können, eine Geruchsquelle zu finden.

Die Implikationen dieser Technik erstrecken sich auf das Verständnis der biologischen Mechanismen hinter anderen Verhaltensweisen, da Forscher die sensomotorische Beziehung eines Insekts an Bord durch robotische Manipulation verändern können. Um das Experiment zu beginnen, wählen Sie zunächst einen erwachsenen Seidenspinner aus, der zwischen zwei und acht Tagen alt ist. Entfernen Sie vorsichtig alle Schuppen auf dem Mesonotum mit einem Stück feuchtem Tuch oder Wattestäbchen, um die Nagelhaut freizulegen.

Kleben Sie einen Kleber auf den Kunststoffstreifen am Ende des Aufsatzes. Kleben Sie dann etwas Klebstoff auf die Oberfläche des freiliegenden Mesonotums und achten Sie darauf, das Flügelscharnier oder die Vorderflügeltegulen nicht zu berühren. Warten Sie fünf bis zehn Minuten, bis der Kleber nicht mehr klebt.

Klebe das Mesonotum der Motte an den Aufsatz. Halten Sie die Motte angebunden, indem Sie den Aufsatz an einem Ständer verankern. Lege ein Blatt Papier unter die Beine der Motte, damit sie sich ausruhen kann.

Waschen Sie die Oberfläche einer weißen, expandierten Styroporkugel mit Wasser, um mögliche Geruchs- oder Sehhinweise zu entfernen. Schalten Sie dann den Lüfter ein, der das Laufband mit Luft versorgt. Die Kugel sollte etwa zwei Millimeter über dem Boden des Bechers schweben.

Befestigen Sie den Kupferdraht des Mottenaufsatzes mit einer Schraube an der Halterung im Cockpit des Roboters. Achte darauf, dass die Motte mit dem mittleren Beinpaar in der Mitte der Kugel positioniert ist. Während die Höhe des Balls gleich bleibt, passen Sie die vertikale Position des Aufsatzes so an, dass die Motte normal auf dem Ball laufen kann.

Falls gewünscht, führen Sie eine Stimulation des Sexualpheromons an der angebundenen Motte durch, um ihr Laufverhalten zu überprüfen. Die Überprüfung des Laufverhaltens einer angebundenen Motte ist entscheidend für die richtige vertikale Position der Motte mit ihrem unregelmäßigen Verhalten oder dem Verhalten des optisch-sensorischen Lesens. Beide wirken sich direkt auf die resultierende Roboterbewegung aus.

Schalten Sie die Luft eines Zugluft-Windkanals ein und stellen Sie die Windgeschwindigkeit auf 0,7 Meter pro Sekunde ein. Stellen Sie sicher, dass die Temperatur über 20 Grad Celsius liegt. Stellen Sie das Odormittel in der Mitte der Seitenwindposition und 25 Zentimeter in Lee von einem Mesh-Panel ein.

Schalten Sie die Mikrocontroller-Platine des Roboters ein und stellen Sie über Bluetooth eine serielle Verbindung zu einem Computer her. Starten Sie die BioSignal-Programmschnittstelle zwischen dem Computer und dem Roboter. Klicken Sie auf die Schaltfläche "Über das Gerät", um die Verbindung zu bestätigen, indem Sie einen Befehl über den angegebenen COM-Port an den Roboter senden, und überprüfen Sie dann, ob eine Nachricht vom Roboter zurückgegeben wird.

Klicken Sie auf die Schaltfläche "Speicher löschen", um alle vorherigen Fortbewegungsdaten aus dem integrierten Flash-Speicher zu entfernen. Drücken Sie dann die drivemode1"-Taste, um die Standard-Motorverstärkungen an den Roboter zu senden. Klicken Sie auf "Nicht fahren", um den Befehl an den Roboter zu senden, bis zum Start des Experiments ruhig zu stellen.

Platzieren Sie den Roboter in der Startposition 60 Zentimeter stromabwärts von der Geruchsquelle. Schalten Sie den Schalter für die Motortreiberplatine ein. Drücken Sie anschließend die Aufnahmetaste am Camcorder, um die Videoaufnahme zu starten.

Klicken Sie auf die Schaltfläche "Start aufnehmen", um einen Startbefehl zu senden, der den Roboter startet und gleichzeitig mit der Aufzeichnung der Balldrehung auf den integrierten Flash-Speicher beginnt. Der Roboter sollte sich in Bewegung setzen und die Geruchsfahne verfolgen. Wenn der Roboter die Geruchsquelle lokalisiert oder nicht innerhalb von vier Minuten lokalisiert, klicken Sie auf die Schaltflächen "Aufnahmestopp" und "Nicht fahren", um Befehle zum Stoppen des Roboters und der Aufzeichnung zu senden.

Drücken Sie abschließend die Aufnahmetaste des Camcorders, um die Videoaufnahme zu stoppen. Die Rotations- und Translationsgeschwindigkeit des Roboters kann auch modifiziert werden, um die kompensatorischen Fähigkeiten des Insekts zu untersuchen. Um die Wirkung asymmetrischer motorischer Verstärkungen zu testen, definieren Sie zunächst die Rotationsverstärkungen, indem Sie die Parameterdatei im Texteditor bearbeiten.

Klicken Sie in der BioSignal-Software auf setparam2", um die bearbeitete Konfiguration auszulesen. Klicken Sie dann auf drivemode2", um diese manipulierten Verstärkungen an den Roboter zu senden. Um den Geruchseingang zu manipulieren, ändern Sie den Spalt zwischen den Spitzen des Saugrohrs.

Oder drehen Sie ihre Positionen um, um die Geruchskonzentration zu ändern, die an jede Antenne abgegeben wird. Schließlich kann die visuelle Eingabe geändert werden, indem die Kappe mit weißem Papier abgedeckt wird, um 150 Grad bzw. 90 Grad des horizontalen bzw. vertikalen Gesichtsfeldes der Motte an Bord abzudecken. Der Vergleich des Geruchsverfolgungsverhaltens zwischen frei laufenden Motten und dem insektengesteuerten Roboter wird hier gezeigt.

Unter den gleichen Geruchsbedingungen erzielten sowohl die Laufmotten als auch die Roboter Erfolgsquoten von 100 %. Obwohl der Roboter im Vergleich zur Laufmotte breitere Flugbahnen aufwies, gab es keinen signifikanten Unterschied in der Zeit bis zur Geruchslokalisierung. Das Geruchsabgabesystem ist notwendig, um den Odormittelstrom zu den Antennen der erhöhten Motte zu führen. Ohne dieses System konnte sich der Roboter nicht an der Geruchsquelle orientieren und kreiste weiter, bis er zum Stillstand kam.

Die Wirksamkeit eines bilateralen olfaktorischen Inputs zur Geruchsverfolgung wurde durch Änderung der Position der Röhrenspitzen evaluiert. Im Vergleich zum Standard-Breitrohrspalt der Steuerung wurden die Roboter so manipuliert, dass sie entweder einen schmalen Rohrspalt, einen umgekehrten Breitrohrspalt oder einen invertierten Motorausgang hatten. Der Roboter erzielte einen 100%igen Erfolg bei beiden Spaltbreitenbedingungen, ohne signifikanten Unterschied in der Zeit bis zur Lokalisierung.

Umgekehrt verbreiterte die Inversion der Röhrenspitzen die Trajektorien und verlängerte die Zeit bis zur Lokalisierung, wenn auch nicht signifikant. Im invertierten motorischen Zustand kreisten die Roboter schließlich kontinuierlich, wodurch sich die Zeit bis zur Lokalisierung erheblich verlängerte. Einmal gemeistert, kann die Implementierung eines Seidenspinners in das abgesenkte Cockpit innerhalb von zehn Minuten durchgeführt werden, wenn sie richtig ausgeführt wird.

Bei diesem Verfahren ist es wichtig, daran zu denken, den Seidenwickler während der gesamten Operation vorsichtig zu behandeln, um unnötige Schäden zu vermeiden. Im Anschluss an dieses Verfahren kann das Langzeitexperiment durchgeführt werden, um zusätzliche Fragen zu den Mechanismen hinter adaptivem Verhalten zu beantworten, z.B. ob Insekten lernen können, den manipulierten Roboterkörper zu steuern. Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Technik den Weg für Forscher auf dem Gebiet der Neurowissenschaften und Robotik, um die Mechanismen adaptiver Verhaltensweisen und die Anwendung auf die Steuerung autonomer Roboter zu erforschen.