We describe a protocol for using insect antennae in the form of electroantennograms (EAGs) on autonomous robots. Our experimental design allows stable recordings within a day and resolves individual odor patches up to 10 Hz. The efficiency of EAG sensors for olfactory searches is demonstrated in driving a robot toward an odor source.
Los robots diseñados para rastrear fugas químicas en instalaciones industriales peligrosas 1 o rastros de explosivos en campos minados 2 enfrentan el mismo problema que los insectos en busca de alimento o la búsqueda de compañeros 3: la búsqueda olfativa se ve limitada por la física del transporte turbulento 4. El paisaje concentración de olores Wind Borne es discontinua y consiste en parches esporádicamente ubicados. Un pre-requisito para la búsqueda olfativa es que los parches de olores intermitentes se detectan. Debido a su alta velocidad y la sensibilidad de 5-6, el órgano olfativo de los insectos ofrece una oportunidad única para la detección. Antenas de insectos se han utilizado en el pasado para detectar no sólo las feromonas sexuales 7, sino también productos químicos que son relevantes para los seres humanos, por ejemplo, compuestos volátiles que emanan de las células cancerosas 8 o sustancias tóxicas e ilícitas 9-11. Se describe aquí un protocolo para el uso de antenas de insectos en robots autónomos unad presentar una prueba de concepto para el seguimiento de los penachos de olor a su fuente. La respuesta global de las neuronas olfativas se registra in situ en la forma de electroantenogramas (GCE). Nuestro diseño experimental, basado en una preparación de insectos conjunto, permite grabaciones estables dentro de un día de trabajo. En comparación, el GCE sobre antenas extirpados tienen una duración de 2 horas. Una interfaz de hardware personalizado / software fue desarrollado entre los electrodos de EAG y un robot. El sistema de medición de olor resuelve parches individuales de hasta 10 Hz, que es superior a la escala de tiempo de los sensores químicos artificiales 12. La eficiencia de sensores EAG para búsquedas olfativas se demuestra adicionalmente en la conducción del robot hacia una fuente de feromona. Mediante el uso de estímulos y sensores olfativos idénticos como en animales de verdad, nuestra plataforma robótica ofrece un medio directo para probar hipótesis biológicas sobre codificación olfativo y estrategias de búsqueda 13. También puede resultar beneficioso para detectar otros olores de interés, porcombinando EAG de diferentes especies de insectos en una configuración de la nariz bioelectrónica 14 o el uso de sensores de gas nanoestructurados que imitan insectos antenas 15.
Hoy en día, los animales como los perros se utilizan con frecuencia en aplicaciones de seguridad y de seguridad que implican la localización de los derrames químicos, drogas y explosivos, debido a sus excelentes capacidades de detección de olor 16. Sin embargo, muestran variaciones de comportamiento, se cansa después de un extenso trabajo, y requieren recapacitación frecuentes a medida que su rendimiento disminuye con el tiempo 17. Una manera de sortear estas limitaciones es reemplazar los perros entrenados por robots olfativas.
No obstante, el seguimiento de los olores y las fuentes de olor es un reto importante en la robótica. En entornos turbulentos, el paisaje de una pluma de olor es muy heterogéneo e inestable, y se compone de forma esporádica ubicados parches 4. Incluso a distancias moderadas de la fuente, tan corto como unos pocos metros, las detecciones se hacen esporádicas y sólo proporcionan señales de forma intermitente. Por otra parte, los gradientes de concentración locales durante detecciones generalmente no apuntan a la fuente. Dada discoflujo ontinuous de información y la información local limitada cuando se realizan detecciones de cómo navegar un robot hacia la fuente?
Es bien sabido que los insectos como las polillas machos utilizan la comunicación química para localizar con éxito a sus compañeros a través de distancias largas (cientos de metros). Para ello, adoptan un comportamiento estereotípico 18-20: van surgiendo ceñida al detectar un parche en el olor y llevar a cabo una búsqueda extendida llamada colada cuando la información del olor se desvanece. Esta estrategia de aumento de fundición a presión es puramente reactiva, es decir, las acciones están completamente determinados por las percepciones actuales (eventos de detección y no detección). Sin embargo, su aplicación en robots olfativas tuvo un éxito limitado en el pasado debido a la detección de parches de olor se ve obstaculizada por la lentitud de los sensores de gas artificiales.
Sensores de óxido metálico usadas en la mayoría de los robots olfativas tienen respuesta y los tiempos de recuperación de varias decenas de segundos, por lo que generalmente filtranlas fluctuaciones de concentración encontrados en penachos turbulentos 21. En contraste, el tiempo de respuesta de los quimiorreceptores de insectos es mucho más corto, por ejemplo, el tiempo de subida de electroantenogramas de insectos (GCE) es menos de 50 mseg 22. En consecuencia, mediante el uso de EAG insectos, los pulsos de olor se resuelven en las frecuencias de varios 23 Hertz. Esta propiedad hace que los sensores de EAG muy adecuado para la detección de filamentos de olor en plumas naturales. Se describe aquí un protocolo para la incrustación de EAG insectos en robots que permiten búsquedas olfativas eficientes utilizando la oleada y fundición estrategias.
Hace casi veinte años, Kanzaki y sus colegas desarrollaron la idea de usar EAG en robots olfativas 29-30. Su técnica se basó originalmente en antenas extirpado. Aquí, se registraron a partir de antenas intacta para mejorar la sensibilidad y el tiempo de vida de la preparación. Otros estudios 31-32 también notaron la superioridad de los preparativos de todo el cuerpo aislado más de antenas. En nuestros experimentos robóticos, experimentamos grabaciones estables dentro de un día. En contraste, EAG grabado en aislado antenas tienen una vida útil de 2 horas (Figura 5).
Nuestra plataforma-EAG robótica fue desarrollado principalmente para probar hipótesis biológicas sobre codificación olfativo y estrategias de búsqueda en los insectos 13. Al igual que en las neuronas centrales que reciben aportes de antenas de insectos, conectamos un modelo de neurona a una antena de la polilla real en un robot y se realizó la detección de feromonas en función de su patrón de disparo. Los eventos de detección y no detección fuerona continuación, se utiliza para conducir el robot hacia la fuente de feromona. La estrategia de búsqueda reactiva considerado aquí se inspiró en los patrones de comportamiento de las polillas machos atraídos por una feromona sexual. Funcionó bien en condiciones de laboratorio (Figura 6), lo que permite la localización de una fuente de baja emisión (dosis de 10 mg de feromona en nuestro caso frente a 10 mg en trabajos previos 24) en un espacio relativamente grande de búsqueda (distancia inicial de la fuente de 2 m frente a 10 cm en los experimentos previos 20-21).
Estos experimentos robóticos deben considerarse como una prueba de concepto que demuestra que las antenas de insectos son adecuados para búsquedas olfativas robóticos. Aunque las antenas de insectos son conocidos por responder a gases tóxicos, drogas y explosivos 9-11, se necesitan varias extensiones para hacer frente a las aplicaciones del mundo real. En primer lugar, un método de búsqueda más sofisticado 34-36 puede ser más eficiente en distancias más allá de 10 m, cuando la readquisiciónde hace muy poco probable que la columna de humo. En segundo lugar, puede ser necesario combinar EAG de diferentes especies en una configuración de la nariz bio-electrónico 14 con el fin de detectar odorantes de intereses. En tercer lugar, la capacidad de detección estéreo obtenidos mediante el registro de las dos antenas del mismo insecto puede resultar beneficioso en términos de eficacia. Dos sensores empleados en paralelo pueden de hecho aumentar la direccionalidad. En cuarto lugar, las extensiones de la estrategia de búsqueda para las búsquedas robóticas colectivos 37 son deben ser considerados para aplicaciones prácticas, incluso si no son biológicamente relevante en el caso de las polillas.
The authors have nothing to disclose.
This work was funded by the state program Investissements d’avenir managed by ANR (grant ANR-10-BINF-05 ‘Pherotaxis’).
Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
Agrotis ipsilon | PISC | moth | |
http://www-physiologie-insecte.versailles.inra.fr/indexenglish.php | |||
Robot Khepera III | K-team | Khe3Base + KorBotLE + KorWifi | |
www.k-team.com | |||
KoreIOLE | K-team | Input/output extension board | |
EAG-robot interface | LORIA | Custom-made hardware and software | |
www.loria.fr | |||
Sirene | LORIA | neuronal simulator sirene.gforge.inria.fr | |
Eagle | CadSoft www.cadsoftusa.com | PCB design software | |
Micromanipulator | Narishige / Bio-logic | UN-3C | |
Magnet base | Narishige/ Bio-logic | USM-6 | |
Adapter | Narishige/ Bio-logic | UX-6-6 | |
Rotule | Narishige/ Bio-logic | UPN-B | |
Micro scisors | MORIA / Phymep | 15371-92 | |
Stereo microscope Zeiss Stémi 2000 | Fisher Scientific | B19961 | |
Light source 20W KL200 | Fisher Scientific | W41745 | |
Narishige PC-10 Na PC-1 | Narishige | Narishige PC-10 | |
Capillaries Na PC-1 | Fisher scientific | C01065 | |
Pheromone cis-7-Dodecenyl acetate(Z7-12:OAc) | Sigma-Aldrich | 259829 | |
Pack of 3 pipettes | Eppendorf | 4910000514 | For pheromone dilution and deposition on paper filter |
2-20 µl/ 50-200 µl/ 100-1000 µl | |||
Gas sensor TGS2620 | Figaro www.figarosensor.com | Optional, for comparison with EAG | |
electrode puller | Narishige | PC-10 |