Robot controlado por insectos: una plataforma del robot móvil para evaluar la capacidad de seguimiento de Olor de un insecto

Resumen

La capacidad para localizar una fuente de olor es necesario para la supervivencia de insectos y se espera que sea aplicable a artificial olor de seguimiento. El robot insecto controlado es impulsado por un Silkmoth real y nos permite evaluar la capacidad de seguimiento de olor de los insectos a través de una plataforma robótica.

Resumen

La localización robótica de fuentes de olor ha sido un área desafiante y a la que se espera que el conocimiento biológico contribuya, ya que encontrar fuentes de olor es una tarea esencial para la supervivencia de los organismos. Los insectos son organismos bien estudiados con respecto al seguimiento de olores, y sus estrategias de comportamiento se han aplicado a robots móviles para su evaluación. Este enfoque "de abajo hacia arriba" es una forma fundamental de desarrollar robots biomiméticos; Sin embargo, los análisis biológicos y el modelado de los mecanismos de comportamiento aún están en curso. Por lo tanto, todavía se desconoce cómo funciona realmente un sistema biológico de este tipo como controlador de una plataforma robótica. Para responder a esta pregunta, hemos desarrollado un robot controlado por insectos en el que un macho adulto de polilla de seda (Bombyx mori) conduce un coche robot en respuesta a estímulos de olor; Esto puede considerarse como un prototipo de un futuro robot mimético de insectos. En la cabina del robot, una polilla de seda atada caminaba sobre una bola apoyada en el aire y un sensor óptico medía las rotaciones de la bola. Estas rotaciones se tradujeron en el movimiento del robot de dos ruedas. La ventaja de este enfoque "híbrido" es que los experimentadores pueden manipular cualquier parámetro del robot, lo que permite evaluar la capacidad de seguimiento de olores de los insectos y proporciona sugerencias útiles para el seguimiento robótico de olores. Además, estas manipulaciones son formas no invasivas de alterar la relación sensorio-motora de un insecto piloto y serán una técnica útil para comprender los comportamientos adaptativos.

Introducción

Los robots autónomos capaces de encontrar una fuente de olor pueden ser importantes para la seguridad de la sociedad. Se pueden utilizar para la detección de víctimas de desastres, de drogas o materiales explosivos en un aeropuerto, y de derrames o fugas de materiales peligrosos en el medio ambiente. En la actualidad, dependemos completamente de animales bien entrenados (por ejemplo, perros) para estas tareas, y se esperaba que la localización robótica de la fuente de olor aliviara la carga de trabajo de estos animales. Encontrar una fuente de olor es una tarea desafiante para los robots porque los odorantes se distribuyen de manera intermitente en una atmósfera¹; Por lo tanto, no siempre es posible el muestreo continuo del gradiente de concentración de olores. Por lo tanto, es necesaria una estrategia de búsqueda que utilice señales de olor intermitentes para el logro de la localización robótica de la fuente de olor^2-4.

La localización de la fuente de olor es esencial para la supervivencia del organismo e incluye tareas como encontrar alimento, compañeros de apareamiento y sitios para la oviposición. Para superar la dificultad de rastrear los odorantes distribuidos en parches, los organismos han desarrollado varias estrategias de comportamiento que consisten en dos comportamientos fundamentales: moverse río arriba durante la recepción de olores y cruzar la corriente durante el cese de la recepción de olores^5,6. Estas estrategias reactivas han sido bien documentadas en insectos y se han combinado con otras modalidades, como la dirección del viento y la visión^5-8. Los modelos de comportamiento de insectos también han sido ejemplos útiles para la robótica^3,9-11, en la que se implementan algoritmos de comportamiento o modelos de circuitos neuronales en robots móviles para la evaluación de las capacidades de localización de fuentes de olor^10,12-15. Desde el punto de vista biomimético, este enfoque "bottom-up" es sin duda una forma fundamental de desarrollar robots biomiméticos. Sin embargo, el enfoque de abajo hacia arriba no es un atajo para obtener una estrategia de búsqueda útil, porque los análisis biológicos aún están en curso y el modelado de los sistemas sensorio-motores detrás de los comportamientos de los insectos no se ha completado. Por lo tanto, aún se desconoce cómo funciona realmente un sistema biológico de este tipo como controlador de una plataforma robótica.

En este artículo, demostramos el protocolo de un enfoque directo "de arriba hacia abajo" para desarrollar un robot móvil de seguimiento de olores controlado por un sistema biológico^16,17. El robot está controlado por un insecto real y puede considerarse como un prototipo de los futuros robots miméticos de insectos. En la cabina del robot, una polilla de seda macho adulta atada (Bombyx mori) caminaba sobre una bola apoyada en el aire en respuesta a la feromona sexual femenina, que se entregaba a cada antena a través de tubos de succión de aire. Las rotaciones de la bola causadas por el caminar de la polilla a bordo se midieron mediante un sensor óptico y se tradujeron en el movimiento del robot de dos ruedas. La ventaja de este enfoque "híbrido" es que los experimentadores pueden investigar cómo funciona el sistema sensorio-motor del insecto en la plataforma robótica donde un insecto piloto está en un circuito cerrado entre el robot y una circunstancia de olor real. La manipulación del hardware robótico altera el circuito cerrado; Por lo tanto, el robot controlado por insectos es una plataforma útil tanto para ingenieros como para biólogos. Para la ingeniería, el robot representa los primeros pasos de la aplicación de un modelo biológico para cumplir con los requisitos de las tareas robóticas. Para la biología, el robot es una plataforma experimental para estudiar el control sensorio-motor bajo un circuito cerrado.

Protocolo

1. Experimental Animal

1. Prepare una caja de plástico para mantener las pupas de machos silkmoths (B. mori) hasta su eclosión. Toallas poner papel en la parte inferior y trozos de cartón alrededor de la pared interior de la caja (Figura 1A).
   Nota: Las piezas de cartón son necesarias para que las polillas adultas de espera mientras se extiende sus alas durante la eclosión (Figura 1A).
2. Silkmoth masculina puesto (Bombyx mor i) pupas en la caja y mantenerlos en una incubadora hasta la eclosión debajo de un 16-hr: 8 h luz: oscuridad ciclo a 25 ° C.
   NOTA: El macho y la hembra pupas pueden ser discriminados por las marcas del sexo en el abdomen (Figura 1B).
3. Recoger las polillas macho adultas después de la eclosión y moverlos a una nueva caja.
4. Mantenga las polillas adultas en una incubadora bajo una de 16 horas: 8 horas de luz: oscuridad ciclo y disminuir la temperatura a 15 ° C para reducir su actividad antes del experimento.

2. Tethering un Silkmoth

1. La fabricación de un accesorio para la inmovilización (Figura 2A)
   Nota: El accesorio consiste en un alambre de cobre con una tira de una lámina delgada de plástico en la punta. Esto asegura el movimiento dorsal-ventral del tórax durante la marcha (Figura 2B).
   1. Preparar una tira de una lámina delgada de plástico, 2 × 40 mm (grosor: 0,1 mm), y doblar por la mitad.
   2. Coloque la tira plegada a la punta de un alambre de cobre con un adhesivo.
   3. Doblar la punta de la tira plegada donde se une el tórax de un Silkmoth.
2. Utilice polillas adultas (2-8 días de edad) durante el período de luz para el experimento.
   Nota: La sensibilidad a la feromona depende en gran medida el reloj circadiano ^18. Debido B. mori es una polilla diurna, el experimento debe realizarse durante el período de luz.
3. Retire con cuidado todas las escalas en el dorSal tórax (mesonoto) con un trozo de tejido húmedo (o un hisopo de algodón) y exponer la cutícula del mesonoto (Figura 2C).
4. Pegar un adhesivo en la tira de plástico en la unión y en la superficie de la mesonoto expuesta con un destornillador pequeño de punta plana y esperar 5 a 10 min hasta que el adhesivo ya no es pegajoso.
   Nota: El adhesivo no debe tocar la bisagra ala o las tégulas ala anterior (Figura 2C).
5. Unir el mesonoto a la unión.
6. Mantenga la polilla atado antes de colocarlo dentro de la cabina del robot. Mantener el cabezal en un soporte y poner un pedazo de papel debajo de las piernas para descansar la polilla.

3. Robot controlado por insectos

1. Diseñar el hardware del robot insecto controlado basado en trabajos previos ^16,17,19.
   Nota: El robot insecto controlado consiste en una cinta de correr apoyado por el aire con un sensor óptico del ratón para Capture la locomoción de insectos, tableros a base de microcontroladores AVR a medida para el procesamiento y el control motor, y dos motores de corriente continua sin escobillas (Figuras 3 y 4). El robot puede ejecutar sobre la base de la rotación de la bola con una precisión del 96% o superior, dentro de un tiempo de retardo de 200 ms. También asegura la movilidad de máxima velocidad de avance (24,8 mm / seg) y la velocidad angular (96,3 ° / seg) de la Silkmoth durante feromonas comportamiento de seguimiento ^16. El flujo de aire de la máquina para correr (Figura 5A) y el sistema de entrega de olor (Figura 5B) están diseñados para la polilla de a bordo para caminar sin problemas en la bola y para adquirir un olor por dos antenas. El canal de admisión de aire y el flujo de la cinta de correr está separado de los del sistema de suministro de olor para evitar la contaminación de la feromona.
2. Diseñar el software para los microcontroladores integrados basados en trabajos previos ^16.
   Nota: El microcontrolador a bordo calcula tél movimientos del robot de la locomoción de insectos medida con un sensor óptico (rotacional, Δ X; traslacional, Δ y; Figura 6). La distancia de desplazamiento (Δ L) y ángulo de giro (Δθ) por unidad de tiempo del robot se calculan sobre la base de la distancia de desplazamiento de cada rueda (izquierda, Δ L _L; derecha, Δ L _R) como Δ L = (Δ L Δ L _R) / 2 _L + y Δθ = (Δ L _L - Δ L _R) / _rueda D, donde _{la rueda} D es la distancia entre las dos ruedas (120 mm). Δ L _L y Δ L _R se describen adicionalmente como Δ L _L = Δ L _{x, L} + Δ L _{Y, L} y Δ L _R = Δ L Δ L _{x, R} + _{y, R,} donde Δ L _{x, L <}/ sub> y Δ L _{x, R} son las distancias de desplazamiento de las ruedas en los lados izquierdo y derecho controladas por Δ Δ x, y L _{y L,} y Δ L _{y R} son los controlados por Δ y. Idealmente, Δ L _{x, L} y L Δ _{x, R} se describen como Δ L _{x, L} = L _{x -Δ, R} = G Δ x _(rueda D / _bola D), y Δ L _{Y, L} y L Δ _{y , R} se describen como Δ L _{y, L} = Δ L _{y, R} = G Δ y, donde G es la ganancia de motor y la _bola D es el diámetro de la bola (50 mm). En la práctica, la ganancia del motor se ajusta de forma independiente por cada lado (izquierdo o derecho de la rueda) y por cada dirección (rotación hacia adelante o hacia atrás) con el fin de calibrar el movimiento del robot. Las ganancias independientes permiten además laajuste de giro del motor asimétrica para generar un sesgo de giro del robot (véase el paso 6.1).
3. Lavar la superficie de una bola blanca de poliestireno expandido (masa: aproximadamente 2 g, diámetro: 50 mm) con agua para eliminar cualquier posible señales olfativas o visuales.
   Nota: La superficie de una nueva bola debe ser maltratado con papel de lija de grano fino, tales como P400, lo que asegura el agarre de las piernas sobre la pelota.
4. Encienda el ventilador que suministra aire a las 9 V a la cinta de correr y flota la bola (Figura 5A). Observe la bola del flotador aproximadamente 2 mm desde el fondo de la taza.
5. El uso de un tornillo, conecte el cable de cobre del archivo adjunto con la polilla (ver paso 2) a un fijo en la cabina del robot (ver Figura 3 recuadro). Asegúrese de que la posición de las patas del medio está en el centro de la bola (Figura 7A).
6. Ajustar la posición vertical de la unión para permitir la polilla de caminar normalmente en la btodas. Mantener la bola a la misma altura antes y después de colocar la polilla (Figura 7B).
   Nota: Una posición demasiado baja de los datos adjuntos añade presión sobre la polilla y provoca caminar hacia atrás para resistir la presión (Figura 7C), mientras que una posición demasiado alta provoca inestabilidad al caminar y fallos del sensor debido a cambios en la posición vertical de la pelota (Figura 7D). Para comprobar el comportamiento de marcha normal, un solo estímulo-inflado feromona se utiliza para desencadenar caminar en la polilla (para el estímulo de feromonas, consulte el paso 4). Tenga en cuenta que el estímulo de prueba debe ser mínima debido a la exposición previa a bombykol habitúa silkmoths y disminuye su sensibilidad (Matsuyama y Kanzaki, datos no publicados).

4. Preparación de olor Fuente

Nota: Hombre B. mori son sensibles a la componente principal de la feromona sexual femenina misma especie (bombykol: (E, Z) -10,12-hexadecadien-1-ol) 20. Cualquier contaminación del equipo experimental con bombykol provoca el comportamiento de seguimiento de olor y afecta a la capacidad de respuesta de la polilla.

1. Caída de 10 l de la solución bombykol disuelto en n-hexano (200 ng / l) en un trozo de papel de filtro (aproximadamente 10 mm x 10 mm). La cantidad de bombykol por pieza de papel de filtro es de 2.000 ng.
   Nota: Para comprobar el comportamiento de marcha normal de la polilla, preparar un cartucho de feromona de estímulo en este paso. El cartucho es un vidrio pipeta Pasteur con una pieza de papel de filtro que contiene 2.000 ng de bombykol. Empujar una bombilla sopla el aire que contiene bombykol.

Experimento 5. Olor Fuente Localización

1. Encender el ventilador de un túnel de viento-aire del tipo de tracción (1.800 × 900 × 300 mm, L x W x H; Figura 8) y ajustar la velocidad del viento a 0,7 m / seg. Asegúrese de que la temperatura sea superior a 20 ° C.
2. Ajuste la fuente de olor (el pIECE de papel de filtro que contiene bombykol) aguas arriba del túnel de viento.
   Nota: El ancho de columna se debe confirmar antes del experimento mediante el uso de _TiCl4 ^17,19.
3. Encienda la placa de desarrollo del robot y establecer una conexión en serie a un PC a través de Bluetooth.
4. Poner en marcha un programa Java a medida llamada "bioseñales", que proporciona una interfaz entre el PC y el robot.
   Nota: La ventana principal incluye botones para enviar comandos al robot, ventanas de texto para mostrar la entrada y la salida de la comunicación en serie, y las cajas pequeñas para configurar los parámetros. Los comandos posteriores se envían haciendo clic en los botones correspondientes en este programa, a excepción de la captura de vídeo.
5. Haga clic en el botón "Acerca del dispositivo" para confirmar la conexión mediante el envío de un comando al robot a través del puerto COM especificado y comprobar que un mensaje se devuelve por el robot.
6. Haga clic en el "memory botón Borrar "para borrar los datos de locomoción anteriores que quedan en la memoria flash interna.
7. Haga clic en el botón "drivemode1" para enviar las ganancias de motor por defecto al robot.
   Nota: Las manipulaciones de las ganancias de motor y el retardo de tiempo entre la locomoción de insectos y movimiento del robot se aplican después de este paso (consulte los pasos 6.1 y 6.3, figura 9).
8. Haga clic en el botón "no conduzca" para enviar un comando para inmovilizar el robot hasta que se inicie el experimento.
9. Poner el robot en una posición de partida (600 mm más allá de la fuente de olor) y encienda el interruptor de la tarjeta de control del motor.
10. Pulsar el botón de grabación de la videocámara para iniciar la captura de vídeo.
11. Haga clic en el botón de "inicio de la grabación" para enviar un comando de arranque para iniciar el robot con un registro simultáneo de la rotación de la bola en la memoria flash a bordo. Observe que el robot comienza a moverse y el seguimiento de la pluma de olor.
12. Clickea en el"STOP REC" y "no conduzca" botones para enviar comandos para detener tanto el movimiento del robot y la grabación si el robot se localiza la fuente de olor.
13. Pulsar el botón de grabación de la videocámara para detener la captura de vídeo.
14. Descargar registran los datos de locomoción de la memoria flash a bordo al ordenador a través de una conexión en serie. Cierra el programa.

6. La manipulación del robot controlado por insectos

Nota: El tiempo de cada manipulación se indica en la Figura 9.

1. La manipulación de las ganancias de motor
   Nota: Esta manipulación altera la velocidad de traslación y de rotación del robot. Ganancias de motor asimétricos generan un sesgo torneado, que se puede utilizar para investigar cómo los insectos compensar el sesgo ^17.
   1. Definir las ganancias de rotación de avance y giro hacia atrás del motor en cada lado ¹⁷ (Figura 6B) editando THarchivo de configuración de correo llamado "param2.txt" con un editor de texto.
   2. Haga clic en el "param2 set" para leer el archivo de configuración modificado en el programa de software. A continuación, haga clic en el "drivemode2" para enviar las ganancias manipulados para el robot.
2. La inversión de la salida del motor
   Nota: Esta manipulación proporciona una condición similar a la inversión de la entrada olfativa bilateral (véase el paso 6.4) y se puede utilizar para investigar la importancia de la olfacción bilateral. Sin embargo, la inversión de la salida del motor también se invierte el movimiento visual auto-inducido de una polilla a bordo. El impacto de la entrada visual autoinducida invertida puede evaluarse mediante una comparación con la entrada olfativa invertida ^19.
   1. Invertir el control motor bilateral mediante el cruce de los cables de control para cada motor.
3. La manipulación de la demora de tiempo entre la locomoción de insectos y movimiento del robot.
   Nota: Esta manipulaciónpermite la investigación del periodo aceptable de tiempo empleado en el procesamiento sensorial-motriz para la robótica olor de seguimiento. El microcontrolador almacena los datos de locomoción en una memoria intermedia y procesarlos después del retardo de tiempo especificado. Tenga en cuenta que el robot tiene un retardo de tiempo interna máxima de 200 mseg; Por lo tanto, se espera que el retardo de tiempo real para ser el retardo de tiempo especificado más 200 mseg ^16,17.
   1. Introducir un número (0-10) en una pequeña caja de la ventana principal para especificar un tiempo de retardo desde 0-1.000 ms en pasos de 100 ms.
   2. Haga clic en el botón "set retardo" para aplicar el retardo de tiempo.
4. La manipulación de la entrada olfativa.
   Nota: Esta manipulación se puede utilizar para investigar el significado de la entrada olfativa bilateral. La dirección oleada de silkmoths está sesgada en el lado de mayor concentración ^22.
   1. Cambiar la distancia entre la punta del tubo de succión o invertir sus posiciones para alterar eldiferencia en la concentración de olor adquirida por cada antena.
5. La manipulación de la información visual
   Nota: Esta manipulación es investigar el papel de la información visual para el olor de seguimiento.
   1. Cubra la cubierta con un papel blanco que ocluye 105 ° y 90 ° del campo visual horizontal y vertical de la polilla de a bordo, respectivamente.

Resultados

Presentamos aquí las características básicas del robot insecto controlado requerida para la localización exitosa de una fuente de olor. La comparación entre el robot y silkmoths, la eficacia del sistema de suministro de olor, y la importancia de olfativo bilateral exacto y entradas visuales son examinados.

La comparación de los comportamientos de olor de seguimiento entre polillas libremente a pie y el robot de insectos contro...

Discusión

Los puntos más importantes para el éxito en el control del robot por un Silkmoth están dejando que la polilla caminar sin problemas en el balón hinchable y la medición de la rotación de la bola de forma estable. Por lo tanto, la inmovilización del Silkmoth y montarlo en la pelota en la posición adecuada son los pasos críticos en este protocolo. adherencia inadecuada de la polilla de la unión o de posicionamiento inadecuado de la polilla en la bola hará que la presión no natural en él, lo que perturba su comportamiento n...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Polilla de seda adulta macho (Bombyx mori)			Se cría a partir de huevos o se compra como pupa.
Incubadora	Panasonic	MIR-254	Almacene las pupas o polillas de seda adultas a una temperatura constante, 238 L.
Caja de plástico	Sunplatec	O-3	Almacenar pupas o polillas de seda adultas, 299 &veces; 224 &veces; 62 mm L &veces; W & veces; H.
Alambre			de cobre de 2 mm de diámetro para la fijación. Cualquier barra rígida se puede utilizar como alternativa para hacer el accesorio para atar una polilla de seda.
Lámina de plástico	Kokuyo	VF-1420N	Se vende como película de retroproyector con un grosor de 0,1 mm. Úselo en la punta del accesorio.
Pinzas	Como una	5SA	Retire las escamas del tórax.
Adhesivo	Konishi	G17	Une una polilla de seda al accesorio.
Robot controlado por insectos	Custom		Bearing, una cinta de correr con soporte de aire, un sensor óptico, placas de microcontrolador basadas en AVR personalizadas y dos motores sin escobillas de CC. Funciona con 8 × AA y 3 &veces; Baterías 006P.
Microcontrolador	Atmel	ATMEGA8	Un componente del robot controlado por insectos.
Soplador de CC	Nidec	A34342-55	Un componente del robot controlado por insectos para hacer flotar una pelota en una cinta de correr con soporte de aire.
Ventilador de CC	Minebea	1606KL-04W-B50	Un componente del robot controlado por insectos para succionar aire que contiene un olor.
Sensor óptico de ratón	Agilent technologies	HDNS-2000	Un componente del robot controlado por insectos, obtenido de un ratón óptico (M-GUWSRSV, Elecom, Japón).
Motor sin escobillas	Maxon	EC-45	Un componente del robot controlado por insectos para accionar una rueda.
		poliestireno blanco	Un componente del robot controlado por insectos. Diámetro 50 mm, masa aproximada 2 g.
Bombykol: (E,Z)-10,12-hexadecadien-1-ol	Shin-Etsu síntesis química		personalizada.
n-hexano	Wako	085-00416	Disolvente para bombykol.
Túnel de viento	Tipo		, tamaño 1.800 &veces; 900 &veces; 300 mm L &veces; W & veces; H.
Programa BioSignal	Personalizado		Un programa para establecer una comunicación en serie entre el robot controlado por insectos y un PC a través de Bluetooth. Se utiliza para enviar comandos para arrancar/detener el robot o configurar las propiedades de su motor.
Videocámara	Sony	HDR-XR520V	Captura los movimientos del robot.