באמצעות חיישני Electroantennogram חרקים על אוטונומי רובוטים לחיפושי חוש הריח
4 באוגוסט 2014
אנו מתארים פרוטוקול לשימוש באנטנות חרקים בצורה של אלקטרואנטנוגרמות (EAGs) על רובוטים אוטונומיים. העיצוב הניסיוני שלנו מאפשר הקלטות יציבות תוך יום ופותר כתמי ריח בודדים עד 10 הרץ. היעילות של חיישני EAG לחיפושי ריח מודגמת בהנעת רובוט לעבר מקור ריח.
המטרה הכוללת של הליך זה היא להקליט אלקטרוגרמות או EEG מתכשיר חרקים שלם ולהשתמש באנטנות חרקים כחיישנים ביולוגיים ברובוטים של חוש הריח. זה מושג על ידי קשירת החיה תחילה בגוש קלקר. השלב השני הוא למקם שתי אלקטרודות EAG, אלקטרודת ייחוס לצוואר החרק ופיפטת הקלטה בקצה האנטנה.
לאחר מכן, האלקטרודות מחוברות ללוח אלקטרופיזיולוגיה עם הגברה וסינון אותות נאותים. השלב האחרון הוא הרכבת תכשיר ה-EAG על רובוט נייד. בסופו של דבר, ניתן להשיג תוצאות כדי להראות ניווט ריח לעבר מקור ריח על ידי שימוש בחיישנים זהים כמו בבעלי חיים אמיתיים.
פלטפורמה רובוטית זו מספקת אמצעי ישיר לבדיקת השערות לגבי ציפוי ריח וניווט חוש הריח בחרקים. היתרון של הטכניקה שאנו הולכים להציג היום בהשוואה לשיטות הקיימות המבוססות על בלו ואנטנה E, הוא בכך שהיא מאפשרת הקלטות יציבות לפרק זמן ארוך יותר. כדי להקליט את ה-EAG מתכשיר חרקים שלם, יש לכלור תחילה שני חוטי כסף על ידי טבילה בתמיסת אקונומיקה מרוכזת למשך 10 עד 20 דקות ולשטוף לאחר מכן.
תהליך זה מונע מאלקטרודות לקטב הפוך אלקטרודות זכוכית מאש נימים מלוטשים עם אלקטרודה ליטוש אש קוטבי מונע שריטות של חוט הכסף הכלורי עם אלקטרודות. לאחר מכן, הרדימו עש זכר בפחמן דו חמצני והניחו אותו בתוך גוש קלקר כשהראש בולט מלמעלה, קשרו את ראש החרק עם סרט צייר סביב הצוואר, הכניסו חוט כסף המשמש כאלקטרודת הייחוס לצוואר. תחת מיקרוסקופ סטריאו, שתק את אחת האנטנות עם רצועות דקות של סרט צייר בקצה ובבסיס.
גזרו את שניים-שלושה הקטעים הדיסטליים של האנטנה בעזרת מספריים כירורגיים. לאחר מכן מקם את אלקטרודת הזכוכית ליד קצה החתוך של האנטנה בעזרת מניפולטור מיקרו. גזרו את קצה נימי הזכוכית בעזרת מלקחיים כדי לקבל קוטר מעט גדול יותר מהקצה החתוך של האנטנה.
מלאו את פיפטת הזכוכית בתמיסת החיץ. לאחר מכן הכנס את קצה האנטנה החתוך לנימים הזכוכית בעזרת המניפולטור המיקרו. לבסוף, החלק את חוט הכסף המשמש כאלקטרודת ההקלטה לקצה הגדול ביותר של נימי הזכוכית הרכיב את כל התכשיר.
כלומר אלקטרודות החרקים והמניפולטור המיקרו על לוחית מתכת המוברגת בחלק העליון של הרובוט. תכנן ממשק חומרה להתאמת מתח המוצא EAG לתחום המתאים ללוח ההרחבה של הרובוט כמתואר בפרוטוקול הטקסט. כלול בקצרה מגבר עכבת כניסה גבוהה, מסנן מעביר נמוך וגבוה ומגבר שלב שני.
לאחר מכן, חבר את האלקטרודות לכניסות ה- EAG הדיפרנציאליות. חבר את אלקטרודת ההקלטה לכניסה ההפוכה של הקדם ampחיים יותר כדי לקבל EEG חיובי. פותחה תוכנת c plus plus מותאמת אישית למימוש ממשק משתמש גרפי ופונקציות שונות לזיהוי אותות ולשליטה ברובוט.
זיהוי אותות יכול להתבצע על ידי מידול המנגנונים העצביים המאפשרים זיהוי פרומון מהיר ואמין. ב-mths על ידי חיקוי ביולוגיה ב-mths נוירונים מרכזיים המקבלים קלט מהאנטנה מגיבים לפרומון עם דפוס ירי סטריאוטיפי של עיכוב עירור כדי להשיג זיהוי אותות, יישם את מודל הנוירונים כמשוואות דיפרנציאליות, אותן ניתן למצוא בפרוטוקול הטקסט. זהה את הפרומון פוגע בכל פעם שפרץ עירור מוגדר כשלושה מרווחי אינטרספייק רצופים.
אחרי קטן מ-70 מילישניות מגיעה עיכוב המוגדר על ידי מרווח בין-ספייק של גדול או שווה ל-350 אלפיות השנייה. EEG בתגובה לפולסים של פרומון מוצגים שמערכת המדידה יכולה לפתור פולסים של פרומון עד 10 הרץ. ה-EAG נרשם מעת לעת בתגובה לגירוי פרומון כדי לבחון את היציבות לאורך זמן של כל הכנת החרק.
בהשוואה לכריתת האנטנות והאנטנות, כל הכנת החרקים מציגה יציבות טובה בתוך יום עבודה. לעומת זאת, EEGs שנרשמו באנטנות מבודדות יורדים במהירות עם הזמן כך שהאות יורד למחצית מערכו ההתחלתי לאחר 1.5 שעות בלבד. הפעם, התלות מתוארת על ידי דעיכה אקספוננציאלית עם שעתיים לכל החיים.
לבסוף, נבדקה היכולת של הפלטפורמה הרובוטית EAG לחפש מקור ריח באמצעות אסטרטגיית חיפוש תגובתית. אסטרטגיית החיפוש משלבת נחשול נגד הרוח בכל פעם שהפרומון מזוהה עם יציקה ספירלית. בהיעדר גילויים ללא מקור הריח, ה-EAG נשאר סביב האפס עם מעט מאוד גילויים או ללא גילויים, הרובוט מבצע יציקה ספירלית ובדרך כלל עוזב את מרחב החיפוש לפני שהוא מגיע למיקום המטרה.
לעומת זאת, עם מקור הריח, ה-EAG מציג פרצי פעילות מגילויים השזורים בתקופות של שתיקה מאי גילוי. יציקה ספירלית מתרחשת בעיקר בקווי המתאר של הפלומה ונראית כאסטרטגיה יעילה להעברת קו מרכז הפלומה כאשר הריח אובד. לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להבין היטב כיצד להקליט מברקי אלקטרונים מתכשיר חרקים בקיר, ושימוש באנטנת חרקים על רובוטים של חוש הריח.
סקירה כללית
מחקר זה מציג פרוטוקול לשימוש במישושים של חרקים כחיישנים ביולוגיים ברובוטים ריחוניים באמצעות אלקטרו-אנטנוגרמות (EAGs). השיטה מאפשרת הקלטות יציבות וניווט יעיל לעבר מקורות ריח.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מדעי המוח
- רובוטיקה
- אלקטרופיזיולוגיה
רקע
- משושו של חרק יכול לזהות ריחות ומשמש כחיישן ביולוגי.
- לשיטות מסורתיות של רישום EAG יש מגבלות ביציבות.
- מחקר זה נועד לשפר את המהימנות של רישומים מסוג EAG.
- פלטפורמות רובוטיות יכולות לחקות ניווט ריחני של חרקים.
מטרת המחקר
- להקלטת EAGs מהכנות של חרקים שלמים.
- להדגמת היעילות של חיישני EAG בניווט ריחי רובוטי.
- לספק שיטה לבדיקת היפותזות על חוש הריח של חרקים.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- קיבוע החרק בתוך בלוק סטירופומי ליציבות.
- שימוש באלקטרודות EAG להקלטת אותות מהממששים.
- חיבור האלקטרודות ללוח אלקטרופיזיולוגי להגברת האות.
- הטמעת ממשק תוכנה מותאם אישית לזיהוי אותות ולשליטה ברובוט.
תוצאות עיקריות
- מערכת ה-EAG מסוגלת להבחין באותות ריח בתדר של עד 10 Hz.
- הקלטות יציבות נשמרות למשך תקופות ארוכות יותר בהשוואה לשיטות מסורתיות.
- הפלטפורמה הרובוטית מנווטת ביעילות לעבר מקורות הריח.
- גילוי האותים מחקה תגובות ביולוגיות בחרקים.
מסקנות
- הפרוטוקול משפר את היציבות של הקלטות EAG מחרקים.
- רובוטים המצוידים בחששני EAG יכולים לאתר בהצלחה מקורות ריח.
- שיטה זו מספקת תובנות לגבי מנגנוני ניווט ריחני בחרקים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
חיישני אלקטרו-אנטנוגרם (EAG) של חרקים על גבי רובוטים אוטונומיים מספקים מערכת זיהוי רגישה ומהירה עבור אזורי ריח לסירוגין בסביבות טורבולנטיות, ובכך הם נותנים מענה לאתגר מרכזי בזיהוי איומים כימיים ובניטור סביבתי. גישה ביו-היברידית זו מאפשרת ביטחון חזוי באסטרטגיות חיפוש ריח על ידי ניצול מנגנוני חישוש ביולוגיים העולים בביצועיהם על חיישנים כימיים מלאכותיים ברזולוציה זמנית. הפלטפורמה תומכת בהפחתת סיכונים מכניסטית של היפותזות תיקוף מטרות הקשורות לקידוד ריח וניווט, ומספקת ערך תרגומי ליישומים בתחומי ההגנה, הביטחון והבטיחות התעשייתית, שבהם איתור מהיר ואמין של מקור הריח הוא קריטי.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בדיקה של השערות ריח באמצעות שימוש בחיישנים ובגירויים הזהים לאלו שבחיות חיות, לצורך תיקוף של מודלים של קידוד עצבי.
- ערך תפעולי: מספק הכנה יציבה של חרק שלם להקלטות EAG עקביות לאורך יום עבודה, ובכך מפחית את השונות במבחני מעורבות של המטרה.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: מפריד בין כתמי ריח בודדים בתדר של עד 10 Hz, מה שמאפשר סריקה ברזולוציית זמן גבוהה של תרכובות נדיפות העולה על היכולות של חיישנים כימיים קונבנציונליים.
- ערך תפעולי: מספק פלטי EAG כמותיים בזמן אמת התומכים בסטנדרטיזציה של הבדיקה ובשחזוריות בתהליכי עבודה של סריקה רחפתית.
מחקר תרגומי וטרום-קלני
- ערך מדעי: תומך במידול מערכות רלוונטיות למחלות על ידי זיהוי חומרים נדיפים ממקורות ביולוגיים, כגון תאי סרטן או חומרים רעילים, תוך שימוש בממשסי חרקים כביוסנסורים טבעיים.
- ערך תפעולי: מאפשר המשכיות תרגומית משלב הגילוי ועד לתיקוף פרה-קליני באמצעות פלטפורמה רובוטית הניתנת לשימוש חוזר ומדמה ניווט ריח ביולוגי.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת נתונים
הפלטפורמה הרובוטית EAG משתלבת ברצף הגילוי על ידי תמיכה בבדיקת השערות בשלבים מוקדמים של מחקר ריח, אישור חיישנים ביולוגים המוכנים לבדיקה עבור קמפיינים של סריקה, ואספקת נתונים כמותיים של תגובות עצביות המנחים החלטות לזיהוי מובילים (leads) על בסיס דפוסי פעילות המעוררים על ידי ריח.
- ביולוגיה של גילוי: תומך בהסרת סיכונים מכניסטיים של היפותזות קידוד ריח באמצעות הקלטות יציבות, in situ, המשקפות תגובות עצביות בזמן אמת לגירויי ריח.
- סריקה: מאפשר הכנה של מערכות חיישנים ביולוגיות עשויות, בעלות זיהוי ריח מהיר המסוגל להבחין בכתמים כימיים חולפים בסביבות דינמיות.
- אנליטיקה: מייצר אותות EAG מרחביים-זמניים המאפשרים לצומיים לכמת אירועי זיהוי ריח, דפוסי פרצים ויעילות ניווט לצורך הערכה השוואית של תרכובות.
- מחקר תרגומי: מקשר מנגנוני ריח של חרקים לרצף פרה-קליני על ידי הדגמה כיצד ניתן להשתמש במערכי חיישנים ביולוגיים לזיהוי חומרים נדיפים הקשורים למחלות או לסכנות.
- שימוש חוזר ארגוני: מבסס יכולת ברמת פלטפורמה לשימוש חוזר במגוון ריחות ובמינים שונים של חרקים, ובכך מפחית את עלויות התיקוף מחדש בפיתוח חיישני ריח.
השפעה תפעולית ועסקית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החיזואי בתיקוף של מטרות ריח על ידי הפחתת העמימות המכניסטית באופן שבו אותות ריח מקודדים ומעובדים.
- ערך תפעולי: מבטיח סטנדרטיזציה ושחזור באמצעות הכנות יציבות של חסרקים שלמים, המאריכות את חיוניות ההקלטה מעבר למגבלות של מחושים שהוצאו.
- ערך אסטרטגי: משפר את יעילות קבלת ההחלטות (go/no-go) בתוכניות סריקה חושית על ידי אספקת נתוני תגובה לריח בעלי נאמנות גבוהה ומבוססים ביולוגית.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר תיעדוף מותאם סיכונים של תוכניות המכוונות לריח, באמצעות מדדים כמותיים ואובייקטיביים של ביצועי החיישן ויעילות החיפוש.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות באלקטרופיזיולוגיה, טיפול בחרקים ועיבוד אותות עצביים כדי להכין ולייצב דגימות EAG של חרקים שלמים.
- תלוי בממשקי חומרה ותוכנה מותאמים אישית להגברה, סינון ותרגום של פלטי EAG לאותי בקרה התואמים לרובוט.
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית בין קבוצות למדעי המוח, רובוטיקה וניתוח נתונים כדי להבטיח פרשנות עקבית של האותים וכיוונון של התגובה ההתנהגותית.
- כולל שיקולי התאמה בעת הרחבת המערכת למיני חרקים שונים או לפאנלים של חומרי ריח שונים, בשל הבדלים במורפולוגיה של המיששים וביטוי של רצפטורים.
- מוגבל על ידי תוחלת החיים הפיזיולוגית של דגימת החרק השלם, המגבילה את הפעולה הרציפה לכיום עבודה אחד בקירוב, למרות יציבות משופרת בהשוואה לדגימות חתוכות.
