Robot Insecte contrôlée: Une plate-forme de robot mobile pour évaluer la capacité Odor-suivi d'un insecte

Résumé

La capacité de localiser une source d'odeur est nécessaire pour la survie des insectes et devrait être applicable aux odeurs de suivi artificiel. Le robot d'insecte contrôlé est entraîné par un silkmoth réel et permet d'évaluer la capacité d'insectes odorante suivi par une plate-forme robotisée.

Résumé

La localisation robotisée des sources d’odeurs a été un domaine difficile auquel on s’attendait à ce que les connaissances biologiques contribuent, car la recherche de sources d’odeurs est une tâche essentielle pour la survie de l’organisme. Les insectes sont des organismes bien étudiés en ce qui concerne le suivi des odeurs, et leurs stratégies comportementales ont été appliquées à des robots mobiles pour évaluation. Cette approche « bottom-up » est un moyen fondamental de développer des robots biomimétiques ; Cependant, les analyses biologiques et la modélisation des mécanismes comportementaux sont toujours en cours. Par conséquent, on ne sait toujours pas comment un tel système biologique fonctionne réellement en tant que contrôleur d’une plate-forme robotique. Pour répondre à cette question, nous avons développé un robot contrôlé par des insectes dans lequel un papillon de soie adulte mâle (Bombyx mori) conduit une voiture robot en réponse à des stimuli olfactifs ; Il peut être considéré comme un prototype d’un futur robot mimétique aux insectes. Dans le cockpit du robot, un papillon de soie attaché marchait sur une boule aéroportée et un capteur optique mesurait les rotations de la balle. Ces rotations se sont traduites par le mouvement du robot à deux roues. L’avantage de cette approche « hybride » est que les expérimentateurs peuvent manipuler n’importe quel paramètre du robot, ce qui permet d’évaluer la capacité de suivi des odeurs des insectes et fournit des suggestions utiles pour le suivi des odeurs par le robot. De plus, ces manipulations sont des moyens non invasifs de modifier la relation sensori-motrice d’un insecte pilote et constitueront une technique utile pour comprendre les comportements adaptatifs.

Introduction

Les robots autonomes capables de trouver une source d’odeur peuvent être importants pour la sûreté et la sécurité de la société. Ils peuvent être utilisés pour la détection des victimes de catastrophes, de drogues ou de matières explosives dans un aéroport, ainsi que des déversements ou des fuites de matières dangereuses dans l’environnement. À l’heure actuelle, nous comptons entièrement sur des animaux bien dressés (par exemple, des chiens) pour ces tâches, et la localisation robotisée des sources d’odeurs devrait alléger la charge de travail de ces animaux. Trouver une source d’odeur est une tâche difficile pour les robots, car les odorisants sont distribués par intermittence dans une atmosphère¹ ; Par conséquent, il n’est pas toujours possible d’échantillonner en continu le gradient de concentration des odeurs. Ainsi, une stratégie de recherche utilisant des indices d’odeurs intermittents est nécessaire pour obtenir une localisation robotique de la source d’odeurs^2-4.

La localisation de la source d’odeur est essentielle à la survie de l’organisme et comprend des tâches telles que la recherche de nourriture, les partenaires d’accouplement et les sites de ponte. Pour surmonter la difficulté de traquer les odorants distribués de manière inégale, les organismes ont développé diverses stratégies comportementales composées de deux comportements fondamentaux : se déplacer en amont lors de la réception des odeurs et traverser le flux lors de la cessation de la réception des odeurs^5,6. Ces stratégies réactives ont été bien documentées chez les insectes et combinées à d’autres modalités, telles que la direction du vent et la vision^5-8. Les modèles comportementaux d’insectes ont également été des exemples utiles pour la robotique^3,9-11, dans laquelle des algorithmes comportementaux ou des modèles de circuits neuronaux sont mis en œuvre dans des robots mobiles pour l’évaluation des capacités de localisation des sources d’odeurs^10,12-15. Du point de vue biomimétique, cette approche « bottom-up » est certainement un moyen fondamental de développer des robots biomimétiques. Cependant, l’approche ascendante n’est pas un raccourci vers l’obtention d’une stratégie de recherche utile, car les analyses biologiques sont toujours en cours et la modélisation des systèmes sensori-moteurs à l’origine des comportements des insectes n’est pas terminée. Par conséquent, on ne sait toujours pas comment un tel système biologique fonctionne réellement en tant que contrôleur d’une plate-forme robotique.

Dans cet article, nous démontrons le protocole d’une approche simple « descendante » pour développer un robot mobile de suivi des odeurs contrôlé par un système biologique^16,17. Le robot est contrôlé par un véritable insecte et peut être considéré comme un prototype des futurs robots mimétiques aux insectes. Dans le cockpit du robot, un papillon de soie mâle adulte attaché (Bombyx mori) marchait sur une balle aéroportée en réponse à la phéromone sexuelle femelle, qui était délivrée à chaque antenne par des tubes d’aspiration d’air. Les rotations de balles causées par la marche du papillon à bord ont été mesurées par un capteur optique et ont été traduites dans le mouvement du robot à deux roues. L’avantage de cette approche « hybride » est que les expérimentateurs peuvent étudier le fonctionnement du système sensori-moteur de l’insecte sur la plate-forme robotique où un insecte pilote se trouve en boucle fermée entre le robot et une circonstance odorante réelle. La manipulation du matériel robotique modifie la boucle fermée ; Par conséquent, le robot contrôlé par les insectes est une plate-forme utile pour les ingénieurs et les biologistes. Pour l’ingénierie, le robot représente les premières étapes de l’application d’un modèle biologique pour répondre aux exigences des tâches robotiques. Pour la biologie, le robot est une plateforme expérimentale permettant d’étudier le contrôle sensori-moteur en boucle fermée.

Protocole

1. Experimental animale

1. Préparer une boîte en plastique pour garder les pupes de silkmoths mâles (B. mori) jusqu'à leur éclosion. Serviettes Mettre en papier au fond et des morceaux de carton autour de la paroi intérieure de la boîte (figure 1A).
   Remarque: Les morceaux de carton sont nécessaires pour les papillons adultes de tenir tout en étendant leurs ailes pendant eclosion (figure 1A).
2. Silkmoth mâle Put (Bombyx mor i) pupes dans la boîte et les garder dans un incubateur jusqu'à ce eclosion sous 16 h: la lumière de 8 heures: cycle d' obscurité à 25 ° C.
   NOTE: Le mâle et la femelle pupes peuvent être discriminées par les marques de sexe sur l'abdomen (figure 1B).
3. Recueillir les papillons mâles adultes après l'éclosion et les déplacer dans une nouvelle boîte.
4. Gardez les papillons adultes dans un incubateur sous 16 h: la lumière de 8 heures: cycle d'obscurité et de diminuer la température à 15 ° C pour réduire leur activité avant l'expérience.

2. tethering un Silkmoth

1. Fabrication d'une fixation pour attacher (figure 2A)
   Remarque: La pièce jointe est constituée d'un fil de cuivre avec une bande d'une feuille de plastique mince à son extrémité. Cela garantit que le mouvement dorso-ventrale du thorax pendant la marche (figure 2B).
   1. Préparer une bande d'une feuille plastique mince, 2 × 40 mm (épaisseur: 0,1 mm), et le plier dans le milieu.
   2. Fixer la bande pliée à la pointe d'un fil de cuivre avec un adhésif.
   3. Pliez la pointe de la bande pliée où le thorax d'un silkmoth est attaché.
2. Utilisez les papillons adultes (âgés de 2-8 jours) au cours de la période de lumière pour l'expérience.
   Remarque: La sensibilité à la phéromone dépend fortement de l'horloge circadienne ^18. Parce que B. mori est un papillon diurne, l'expérience doit être effectuée au cours de la période de lumière.
3. Retirez délicatement toutes les échelles sur le dorsal thorax (mesonotum) à l' aide d' un morceau de tissu humide (ou un coton - tige) et exposer la cuticule du mesonotum (figure 2C).
4. Coller un adhésif sur la bande de plastique sur la pièce jointe et sur la surface de la mesonotum exposée avec un petit tournevis à lame plate et attendre 5-10 min jusqu'à ce que la colle ne colle plus.
   Remarque: L'adhésif ne doit pas toucher la charnière de l' aile ou la tegulae de forewing (figure 2C).
5. Bond mesonotum à la pièce jointe.
6. Gardez le papillon attaché avant de le placer à l'intérieur du poste de pilotage du robot. Tenir la pièce jointe sur un stand et mettre un morceau de papier sous les jambes pour se reposer la teigne.

3. Robot Insecte contrôlé

1. La conception du matériel du robot d'insecte commandé en se basant sur des travaux précédents ^16,17,19.
   Remarque: Le robot d'insecte contrôlé est constitué d'un tapis roulant d'air supporté par un capteur de souris optique à capture la locomotion des insectes, à base AVR-cartes microcontrôleur intégré personnalisées pour le traitement et le contrôle moteur, et deux moteurs sans balais à courant continu (figures 3 et 4). Le robot peut fonctionner sur la base de la rotation de la balle avec une précision de 96% ou plus, dans un délai de 200 ms. Elle assure également la mobilité de la vitesse maximale avant (24,8 mm / s) et la vitesse angulaire (96,3 ° / sec) de la silkmoth pendant phéromone comportement de suivi ^16. L'écoulement d' air du tapis roulant (figure 5A) et un système de distribution d'odeur (figure 5B) sont conçus pour le papillon à bord de marche sans à- coup sur la balle et d'acquérir une odeur par deux antennes. La chaîne du tapis de course d'admission d'air et le flux est séparé de ceux du système de distribution d'odeur pour éviter toute contamination de la phéromone.
2. Concevoir le logiciel pour les microcontrôleurs embarqués basés sur des travaux antérieurs ^16.
   Remarque: Le microcontrôleur embarqué calcule til mouvements du robot de la locomotion des insectes mesurée avec un capteur optique (rotation, Δ x; traductionnelle, Δ y, figure 6). La distance de Voyage (Δ L) et de l' angle (Δθ) par unité de temps du robot tourner sont calculés sur la base de la distance de Voyage de chaque roue (gauche, Δ L _L; à droite, Δ L _R) telle que Δ L = (Δ l _l + Δ l _R) / 2 et Δθ = (Δ l _l - Δ l _R) / _roue D, où la _roue de D est la distance entre les deux roues (120 mm). Δ L _L et Δ L _R sont décrits comme Δ L _L = Δ L _{x, L} + Δ L _{y, L} et Δ L _R = Δ L _{x, R} + Δ L _{y, R,} où Δ L _{x, L <}/ sub> et Δ L _{x, R} sont les distances de déplacement des roues sur les côtés gauche et droit à commande par Δ x, Δ et L _{y, L} et L Δ _{Y, R} sont ceux contrôlés par Δ y. Idéalement, Δ L _{x, L} et Δ L _{x, R} sont décrits comme Δ L _{x, L} = -Δ L _{x, R} = G Δ x _(roue D / _bille D) et Δ L _{y, L} et Δ L _{y R} sont décrits comme Δ l _{y, l} = Δ l _{y, R} = G Δ y, où G est le gain du moteur et la _bille D est le diamètre de la bille (50 mm). Dans la pratique, le gain du moteur est réglé de façon indépendante par chaque côté (à gauche ou à droite roue) et par chaque direction (vers l'avant ou vers l'arrière rotation) de façon à calibrer le mouvement du robot. Les gains indépendants permettent en outre laréglage de rotation du moteur asymétrique pour générer une polarisation de rotation du robot (voir étape 6.1).
3. Laver la surface d'une boule blanche expansée de polystyrène (masse: environ 2 g, diamètre: 50 mm) avec de l'eau pour éliminer tous les signaux olfactifs ou visuels possibles.
   Remarque: La surface d'une nouvelle balle doit être malmené avec grain fin papier de verre, tels que P400, qui assure la prise en main des jambes sur le ballon.
4. Allumez le ventilateur qui fournit l' air à 9 V sur le tapis roulant et flotte le ballon (figure 5A). Observez le ballon flotter environ 2 mm du fond de la tasse.
5. Utiliser une vis, fixez le fil de cuivre de la pièce jointe avec le papillon (voir étape 2) à un appareil dans le poste de pilotage du robot (voir Figure 3 encadré). Assurez - vous que la position des pattes médianes est au centre de la balle (Figure 7A).
6. Ajustez la position verticale de la fixation pour permettre la teigne de marcher normalement sur le btout. Garder la balle à la même hauteur avant et après la fixation de la teigne (figure 7B).
   Remarque: Une position trop basse de la pièce jointe ajoute une pression sur la teigne et provoque la marche arrière pour résister à la pression (Figure 7C), alors une position trop élevée provoque la marche et les défaillances du capteur instable en raison de changements dans la position verticale de la balle (Figure 7D). Pour vérifier le comportement de la marche normale, une seule soufflée stimulus phéromone est utilisé pour déclencher la marche dans la teigne (pour la relance de la phéromone, voir étape 4). Notez que le stimulus de test doit être minime, car une exposition antérieure à bombykol accoutume silkmoths et diminue leur sensibilité (Matsuyama et Kanzaki, données non publiées).

4. Odeur Préparation Source

Note: Homme B. mori sont sensibles à la composante majeure de la phéromone sexuelle femelle conspécifique (bombykol: (E, Z) -10,12-hexadecadien-1-ol) ^{20. Toute contamination de l'équipement expérimental avec bombykol suscite le comportement des odeurs de suivi et affecte la réactivité de la teigne.}

1. Déposer 10 ul de la solution de bombykol dissous dans du n-hexane (200 ng / ul) sur un morceau de papier filtre (environ 10 mm x 10 mm). La quantité de bombykol par morceau de papier filtre est de 2000 ng.
   Remarque: Pour vérifier le comportement de la marche normale de la teigne, préparer une cartouche phéromone de relance dans cette étape. La cartouche est un verre pipette Pasteur avec un morceau de papier filtre contenant 2000 ng de bombykol. Pousser une ampoule gonfle le bombykol d'air contenant.

5. Odeur Source Localisation Experiment

1. Allumez le ventilateur d'un tunnel de vent de type air de traction (1800 × 900 × 300 mm, L × l × H; Figure 8) et régler la vitesse du vent à 0,7 m / sec. Assurez-vous que la température est supérieure à 20 ° C.
2. Réglez la source de l'odeur (pIECE de papier filtre contenant bombykol) en amont de la soufflerie.
   Remarque: La largeur du panache devrait être confirmée avant l'expérience en utilisant TiCl ₄ ^17,19.
3. Tournez sur la carte microcontrôleur du robot et établir une connexion série à un PC via Bluetooth.
4. Lancer un programme Java sur mesure appelé "BioSignal," qui fournit une interface entre le PC et le robot.
   Remarque: La fenêtre principale comprend des boutons pour envoyer des commandes au robot, les fenêtres de texte pour afficher l'entrée et la sortie de la communication série, et de petites boîtes pour configurer les paramètres. Les commandes suivantes sont envoyées en cliquant sur les boutons correspondant à ce programme, sauf pour la capture vidéo.
5. Cliquez sur le bouton "à propos de l'appareil" pour confirmer la connexion en envoyant une commande au robot via le port COM spécifié et vérifier qu'un message est renvoyé par le robot.
6. Cliquez sur le "mémobouton ry effacer "pour effacer les données de locomotion précédents laissés sur la mémoire flash embarquée.
7. Cliquez sur le bouton "drivemode1" pour envoyer les gains à moteur par défaut au robot.
   Remarque: Les manipulations des gains du moteur et le délai entre la locomotion des insectes et le mouvement du robot sont appliqués après cette étape (voir étapes 6.1 et 6.3, Figure 9).
8. Cliquez sur le bouton "ne conduisez pas" pour envoyer une commande pour immobiliser le robot jusqu'à ce que l'expérience commence.
9. Mettez le robot à une position de départ (600 mm en aval de la source de l'odeur) et allumez l'interrupteur du panneau de commande de moteur.
10. Appuyez sur le bouton d'enregistrement du caméscope pour commencer la capture vidéo.
11. Cliquez sur le bouton "start rec" pour envoyer une commande de démarrage pour lancer le robot avec un enregistrement simultané de la rotation de la balle sur la mémoire flash embarquée. Notez que le robot commence à se déplacer et suit le panache d'odeur.
12. Clique sur le"Arrêt rec" et "ne pas conduire" boutons pour envoyer des commandes pour arrêter la fois le mouvement du robot et l'enregistrement si le robot localise la source de l'odeur.
13. Appuyez sur le bouton d'enregistrement du caméscope pour arrêter la capture vidéo.
14. Télécharger les données enregistrées de locomotion de la mémoire flash embarquée à l'ordinateur via une connexion série. Fermer le programme.

6. Manipulation du Robot Insecte contrôlée

Remarque: Le timing de chaque manipulation est indiquée sur la figure 9.

1. Manipulation des gains à moteur
   Remarque: Cette manipulation modifie la vitesse de translation et de rotation du robot. Gains à moteur asymétriques génèrent un biais tournant, qui peut être utilisé pour étudier comment les insectes compensent le biais ^17.
   1. Définir les gains de rotation pour rotation avant et arrière du moteur de chaque côté ¹⁷ (figure 6B) en éditant efichier de configuration e nommé "param2.txt" en utilisant un éditeur de texte.
   2. Cliquez sur le "param2 set" pour lire le fichier de configuration éditée dans le logiciel. Ensuite, cliquez sur le "drivemode2" pour envoyer les gains manipulés au robot.
2. L'inversion de la sortie du moteur
   Remarque: Cette manipulation fournit une condition semblable à l'inversion de l' entrée olfactive bilatérale (voir étape 6.4) et peut être utilisée pour étudier l'importance de l' olfaction bilatérale. Cependant, l'inversion de la sortie du moteur intervertit aussi mouvement visuel auto-induite d'un papillon de nuit à bord. L'impact visuel de l'entrée auto-induite inversée peut être évaluée par une comparaison avec l'entrée inversée ¹⁹ olfactive.
   1. Inverser la commande du moteur bilatéral en croisant les câbles de commande pour chaque moteur.
3. La manipulation du temps de retard entre la locomotion des insectes et des mouvements du robot.
   Remarque: Cette manipulationpermet d'enquêter sur la période de temps acceptable consacré au traitement sensori-moteur pour l'odeur de suivi robotique. Le microcontrôleur stocke les données de locomotion sur une mémoire tampon puis traite après le délai spécifié. Notez que le robot a un délai maximal interne de temps de 200 ms; Par conséquent, le retard de temps réel devrait être le délai spécifié , plus 200 ms ^16,17.
   1. Entrez un numéro (0-10) dans une petite boîte de la fenêtre principale pour spécifier un délai de 0-1000 msec à des étapes de 100 msec.
   2. Cliquez sur le bouton "délai fixé" pour appliquer le délai.
4. La manipulation de l'entrée olfactive.
   Remarque: Cette manipulation peut être utilisée pour étudier l'importance de l' entrée olfactive bilatérale. La direction de poussée de silkmoths est sollicité sur le côté supérieur concentration ^22.
   1. Changer l'écart entre les extrémités du tube d'aspiration ou inverser leurs positions pour modifier ladifférence de concentration d'odeur acquise par chaque antenne.
5. Manipulation de l'entrée visuelle
   Remarque: Cette manipulation est d'étudier le rôle de l' entrée visuelle pour l' odeur de suivi.
   1. Couvrir le couvert avec un papier blanc qui obture 105 ° et 90 ° du champ visuel horizontal et vertical de la teigne à bord, respectivement.

Résultats

Nous présentons ici les caractéristiques de base du robot commandé par les insectes nécessaires à la localisation réussie d'une source de l'odeur. La comparaison entre le robot et silkmoths, l'efficacité du système de distribution d'odeur, et l'importance de olfactive bilatérale précise et les entrées visuelles sont examinés.

La comparaison des comportements odeur de suivi entre les mites librement marche et le robot d'insecte...

Discussion

Les points les plus importants pour le contrôle réussie du robot par un silkmoth laissent la teigne marcher en douceur sur la boule d'air pris en charge et la mesure de manière stable la rotation de la balle. Par conséquent, attacher le silkmoth et le monter sur le ballon à la position appropriée sont les étapes critiques dans ce protocole. adhérence inappropriée de la teigne à la fixation ou mauvais positionnement de la teigne sur la balle va provoquer une pression contre nature sur elle, ce qui perturbe son compor...

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Papillon de soie adulte mâle (Bombyx mori)			Élevé à partir d’œufs, ou acheté sous forme de nymphes.
Incubateur	Panasonic	MIR-254	Stockez les pupes ou les papillons adultes à une température constante, 238 L.
Boîte en plastique	Sunplatec	O-3	Stocker les pupes ou les papillons de nuit adultes, 299 & fois ; 224 & fois ; 62 mm L & fois ; W & fois ; H.
Fil			de cuivre de 2 mm de diamètre pour la fixation. N’importe quelle barre rigide peut être utilisée comme alternative pour fabriquer l’attache pour attacher un papillon de soie.
Feuille plastique	Kokuyo	VF-1420N	Vendue sous forme de film de rétroprojecteur d’une épaisseur de 0,1 mm. Utiliser à l’extrémité de l’accessoire.
Pince	Comme un	5SA	Enlever les écailles sur le thorax.
Adhésif	Konishi	G17	Collez un papillon de soie à l’accessoire.
Robot contrôlé par des insectes	Custom Bearing un		tapis roulant gonflable, un capteur optique, des cartes de microcontrôleur basées sur AVR sur mesure et deux moteurs sans balais à courant continu. Il est alimenté par 8 & fois ; AA et 3 & ; Batteries 006P.
Microcontrôleur	Atmel	ATMEGA8	Un composant du robot contrôlé par des insectes.
Souffleur à courant continu	Nidec	A34342-55	Un composant du robot contrôlé par des insectes pour faire flotter un ballon dans un tapis roulant gonflable.  ;
Ventilateur DC	Minebea	1606KL-04W-B50	Un composant du robot contrôlé par les insectes pour aspirer l’air contenant une odeur.
Capteur de souris optique	Agilent technologies	HDNS-2000	Un composant du robot contrôlé par insectes, obtenu à partir d’une souris optique (M-GUWSRSV, Elecom, Japon).
Moteur Brushless	Maxon	EC-45	Un composant du robot contrôlé par des insectes pour l’entraînement d’une roue.
		polystyrène blanc	Un composant du robot contrôlé par les insectes. Diamètre 50 mm, masse environ 2 g.
Bombykol : (E,Z)-10,12-hexadécadien-1-ol	Shin-Etsu chemical		Synthèse personnalisée.
n-hexane	Wako	085-00416	Solvant pour bombykol.
Soufflerie	Custom		Pulling-air type, taille 1 800 & times ; 900 & times ; 300 mm L & times ; W & fois ; H.
Programme BioSignal	Custom		Un programme permettant d’établir une communication série entre le robot contrôlé par des insectes et un PC via Bluetooth. Utilisé pour envoyer des commandes de démarrage/arrêt du robot ou pour configurer les propriétés de son moteur.  ;
Caméscope	Sony	HDR-XR520V	Capturez les mouvements du robot.