Robot Insect-controllato: una piattaforma mobile Robot per valutare la capacità odore-tracking di un insetto

Summary

La capacità di localizzare una fonte di odore è necessario per la sopravvivenza degli insetti e dovrebbe essere applicabile a artificiale odore-tracking. Il robot insetto controllato è azionato da un silkmoth reale e permette di valutare la capacità di odore-tracking di insetti attraverso una piattaforma robotica.

Abstract

La localizzazione robotica delle fonti di odore è stata un'area impegnativa e a cui ci si aspettava che la conoscenza biologica contribuisse, poiché trovare fonti di odore è un compito essenziale per la sopravvivenza dell'organismo. Gli insetti sono organismi ben studiati per quanto riguarda il tracciamento degli odori e le loro strategie comportamentali sono state applicate ai robot mobili per la valutazione. Questo approccio "bottom-up" è un modo fondamentale per sviluppare robot biomimetici; Tuttavia, le analisi biologiche e la modellizzazione dei meccanismi comportamentali sono ancora in corso. Pertanto, non è ancora noto come un tale sistema biologico funzioni effettivamente come controller di una piattaforma robotica. Per rispondere a questa domanda, abbiamo sviluppato un robot controllato da insetti in cui un maschio adulto di falena da seta (Bombyx mori) guida un'auto robot in risposta a stimoli olfattivi; Questo può essere considerato come un prototipo di un futuro robot mimetico degli insetti. Nella cabina di pilotaggio del robot, una falena da seta legata camminava su una palla supportata ad aria e un sensore ottico misurava le rotazioni della palla. Queste rotazioni sono state tradotte nel movimento del robot a due ruote. Il vantaggio di questo approccio "ibrido" è che gli sperimentatori possono manipolare qualsiasi parametro del robot, il che consente di valutare la capacità di tracciamento degli odori degli insetti e fornisce suggerimenti utili per il tracciamento robotico degli odori. Inoltre, queste manipolazioni sono modi non invasivi per alterare la relazione senso-motoria di un insetto pilota e saranno una tecnica utile per comprendere i comportamenti adattivi.

Introduction

I robot autonomi in grado di trovare una fonte di odore possono essere importanti per la sicurezza e l'incolumità della società. Possono essere utilizzati per il rilevamento di vittime di disastri, di droghe o materiali esplosivi in un aeroporto e di fuoriuscite di materiali pericolosi o perdite nell'ambiente. Al momento, ci affidiamo interamente ad animali ben addestrati (ad esempio, i cani) per questi compiti e ci si aspetta fortemente che la localizzazione robotica delle fonti di odore allevi il carico di lavoro di questi animali. Trovare una fonte di odore è un compito impegnativo per i robot perché gli odori sono distribuiti in modo intermittente in un'atmosfera¹; Pertanto, il campionamento continuo del gradiente di concentrazione dell'odore non è sempre possibile. Pertanto, una strategia di ricerca che utilizza segnali di odore intermittenti è necessaria per ottenere la localizzazione robotica della fonte di odore^2-4.

La localizzazione della fonte dell'odore è essenziale per la sopravvivenza dell'organismo e include compiti come la ricerca di cibo, partner per l'accoppiamento e siti per l'ovideposizione. Per superare la difficoltà nel tracciare gli odori distribuiti a chiazze, gli organismi hanno sviluppato varie strategie comportamentali costituite da due comportamenti fondamentali: spostarsi a monte durante la ricezione degli odori e cross-stream durante la cessazione della ricezione degli odori^5,6. Queste strategie reattive sono state ben documentate negli insetti e ulteriormente combinate con altre modalità, come la direzione del vento e la visione^5-8. I modelli comportamentali degli insetti sono stati anche utili esempi per la robotica^3,9-11, in cui algoritmi comportamentali o modelli di circuiti neurali sono implementati in robot mobili per la valutazione delle capacità di localizzazione delle fonti di odore^10,12-15. Dal punto di vista biomimetico, questo approccio "bottom-up" è sicuramente un modo fondamentale per sviluppare robot biomimetici. Tuttavia, l'approccio bottom-up non è una scorciatoia per ottenere una strategia di ricerca utile, perché le analisi biologiche sono ancora in corso e la modellazione dei sistemi senso-motori alla base dei comportamenti degli insetti non è stata completata. Pertanto, non è ancora noto come un tale sistema biologico funzioni effettivamente come controllore di una piattaforma robotica.

In questo articolo, dimostriamo il protocollo di un semplice approccio "top-down" per sviluppare un robot mobile per il tracciamento degli odori controllato da un sistema biologico^16,17. Il robot è controllato da un vero insetto e può essere considerato come un prototipo dei futuri robot mimetici-insetti. Nella cabina di pilotaggio del robot, un maschio adulto di falena da seta (Bombyx mori) camminava su una palla supportata dall'aria in risposta al feromone sessuale femminile, che veniva consegnato a ciascuna antenna attraverso tubi di aspirazione dell'aria. Le rotazioni delle sfere causate dal passo della falena a bordo sono state misurate da un sensore ottico e sono state tradotte nel movimento del robot a due ruote. Il vantaggio di questo approccio "ibrido" è che gli sperimentatori possono studiare come funziona il sistema senso-motorio dell'insetto sulla piattaforma robotica in cui un insetto pilota si trova in un circuito chiuso tra il robot e una circostanza di odore reale. La manipolazione dell'hardware robotico altera il ciclo chiuso; Pertanto, il robot controllato dagli insetti è una piattaforma utile sia per gli ingegneri che per i biologi. Per l'ingegneria, il robot rappresenta i primi passi dell'applicazione di un modello biologico per soddisfare i requisiti per le attività robotiche. Per la biologia, il robot è una piattaforma sperimentale per lo studio del controllo senso-motorio in un circuito chiuso.

Protocol

1. sperimentali animali

1. Preparare una scatola di plastica per mantenere le pupe di silkmoths maschi (B. mori) fino alla loro eclosion. Asciugamani mettere la carta in basso e pezzi di cartone intorno alla parete interna della scatola (Figura 1A).
   Nota: I pezzi di cartone sono necessarie per le falene adulte per tenere mentre si estende le ali durante eclosion (Figura 1A).
2. Mettere silkmoth maschio (Bombyx mor i) pupe nella casella e tenerli in un incubatore fino eclosion sotto di 16 ore: la luce di 8 ore: ciclo di buio a 25 ° C.
   NOTA: Il maschio e la femmina pupe possono essere discriminati dalle marcature sesso sull'addome (Figura 1B).
3. Raccogliere falene maschi adulti dopo eclosion e spostarli in una nuova scatola.
4. Tenere le falene adulte in un incubatore con un 16-hr: luce di 8 ore: ciclo scuro e diminuire la temperatura a 15 ° C per ridurre la loro attività prima dell'esperimento.

2. Tethering un Silkmoth

1. Realizzazione di un attacco per tethering (Figura 2A)
   Nota: Il fissaggio è costituito da un filo di rame con una striscia di un sottile foglio di plastica in punta. Ciò garantisce il movimento dorso-ventrale del torace durante la deambulazione (Figura 2B).
   1. Preparare una striscia di un sottile foglio di plastica, 2 × 40 mm (spessore: 0,1 mm), e piegarlo a metà.
   2. Fissare la striscia ripiegata alla punta di un filo di rame con un adesivo.
   3. Piegate la punta della striscia piegata a cui è collegato il torace di un silkmoth.
2. Utilizzare falene adulte (2-8 giorni) durante il periodo di luce per l'esperimento.
   Nota: La sensibilità al feromone dipende fortemente l'orologio circadiano ^18. Perché B. mori è un lepidottero diurno, l'esperimento deve essere eseguita durante il periodo di luce.
3. Rimuovere delicatamente tutte le scale sul dorsal torace (mesonoto) con un pezzo di tessuto bagnato (o un batuffolo di cotone) ed esporre la cuticola del mesonoto (Figura 2C).
4. Incollare un adesivo sulla striscia di plastica sulla attaccamento e sulla superficie del mesonoto esposta con un piccolo cacciavite a lama piatta e attendere 5-10 minuti finché l'adesivo non è più appiccicoso.
   Nota: L'adesivo non deve toccare la cerniera ala o la tegulae forewing (Figura 2C).
5. Legare la mesonoto per l'allegato.
6. Mantenere la falena legato prima di inserirlo all'interno della cabina di pilotaggio del robot. Tenere il fissaggio su un supporto e mettere un pezzo di carta sotto le gambe di riposare la falena.

3. Robot Insect-controllato

1. Progettare l'hardware del robot insetto controllato sulla base di lavori precedenti ^16,17,19.
   Nota: Il robot insetto controllato costituito da un tapis roulant gonfiabile con un sensore ottico mouse per Capture l'insetto locomozione, schede a microcontrollore AVR basato personalizzate per elaborazione e controllo del motore, e due motori brushless DC (Figure 3 e 4). Il robot può essere eseguito sulla base della rotazione palla 96% precisione o superiore, entro un intervallo di tempo di 200 msec. Esso assicura anche la mobilità di massima velocità di avanzamento (24.8 mm / sec) e la velocità angolare (96,3 ° / sec) della silkmoth durante feromone comportamento di inseguimento ^16. Il flusso d'aria del tapis roulant (Figura 5A) e sistema di erogazione degli odori (Figura 5B) sono progettati per la falena a bordo di camminare agevolmente sulla palla e di acquisire un odore da due antenne. Il canale di aspirazione e il flusso del tapis roulant è separato da quelli del sistema di erogazione odore per evitare la contaminazione del feromone.
2. Progettare il software per i microcontrollori a bordo sulla base di lavori precedenti ^16.
   Nota: Il microcontrollore a bordo calcola tegli movimenti del robot della locomozione insetto misurata con un sensore ottico (rotazionale, Δ x; traslazionale, Δ y; figura 6). La distanza percorsa (Δ L) e ruotare angolo (Δθ) per unità di tempo del robot sono calcolati sulla base della distanza percorsa di ciascuna ruota (sinistra, Δ L _L; destra, Δ L _R) come Δ L = (Δ L _L + Δ L _R) / 2 e Δθ = (Δ L _L - Δ L _R) / _rotella D, dove _ruota D è la distanza tra le due ruote (120 mm). Δ L _L e Δ L _R sono ulteriormente descritti come Δ L _L = Δ L _{x, L} + Δ L _{y, L} e Δ L _R = Δ L _{x, R} + _{Y, R,} dove Δ L _{x, L <Δ} L/ sub> e Δ L _{x, R} sono le distanze di viaggio delle ruote sui lati sinistro e destro controllati da Δ x e Δ L _{y, L} e Δ L _{y, R} sono quelle controllate dalla Δ y. Idealmente, Δ L _{x, L} e Δ L _{x, R} sono descritti come Δ L _{x, L} = -Δ L _{x, R} = G Δ x _(ruota D / D _palla), e Δ L _{y, L} e Δ L _{y , R} sono descritti come Δ L _{y, L} = Δ L _{y, R} = G Δ y, dove G è il guadagno del motore e _palla D è il diametro della sfera (50 mm). In pratica, il guadagno motore viene impostata indipendentemente da ciascun lato (ruota sinistra o destra) e ciascuna direzione (rotazione in avanti o indietro) per calibrare il movimento del robot. I guadagni indipendenti ulteriormente consentono laimpostazione di rotazione del motore asimmetrica per generare una polarizzazione rotazione del robot (vedere la fase 6.1).
3. Lavare la superficie di una sfera bianca polistirolo espanso (massa: circa 2 g, diametro: 50 mm) con acqua per rimuovere eventuali stimoli olfattivi e visivi.
   Nota: La superficie di una nuova palla deve essere sgrossato con grana carta vetrata, come P400, che garantisce la presa delle gambe sulla palla.
4. Accendere il ventilatore che fornisce aria a 9 V al tapis roulant e galleggia la palla (Figura 5A). Osservare la sfera galleggiante di circa 2 mm dal fondo della tazza.
5. Utilizzando una vite, collegare il filo del l'allegato con la falena di rame (vedi punto 2) per un appuntamento fisso nella cabina di guida del robot (vedi figura 3 nel riquadro). Assicurarsi che la posizione delle gambe medio è al centro della sfera (Figura 7A).
6. Regolare la posizione verticale dell'attacco per consentire la falena di camminare normalmente sulla btutti. Mantenere la palla alla stessa altezza prima e dopo aver collegato la falena (Figura 7B).
   Nota: Una posizione troppo basso dell'attacco aggiunge pressione sul tignola e suscita passi all'indietro per resistere alla pressione (figura 7C), mentre una posizione troppo elevata provoca piedi instabile e guasti del sensore a causa di cambiamenti nella posizione verticale la sfera (figura 7D). Per controllare il normale comportamento di camminare, un single-soffiato stimolo feromone viene utilizzato per attivare camminare nella falena (per lo stimolo feromone, vedi punto 4). Si noti che lo stimolo test deve essere minimo perché una precedente esposizione a bombykol abitua silkmoths e diminuisce la loro sensibilità (Matsuyama e Kanzaki, dati non pubblicati).

4. Preparazione Fonte Odore

Nota: Maschio B. mori sono sensibili alla componente principale del feromone sessuale femminile conspecifici (bombykol: (E, Z) -10,12-hexadecadien-1-olo) ^{20. Ogni contaminazione di attrezzature sperimentali con bombykol suscita il comportamento degli odori-tracking e colpisce la capacità di risposta della falena.}

1. Goccia 10 ml di soluzione bombykol sciolto in n-esano (200 ng / ml) su un pezzo di carta da filtro (circa 10 mm x 10 mm). La quantità di bombykol per pezzo di carta da filtro è 2,000 ng.
   Nota: Per controllare il normale comportamento piedi della falena, preparare una cartuccia feromone di stimolo in questa fase. La cartuccia è una pipetta Pasteur di vetro con un pezzo di carta da filtro contenente 2.000 ng di bombykol. Spingendo una lampadina gonfia la bombykol aria contenente.

5. Odore Fonte localizzazione Experiment

1. Accendere il ventilatore di una galleria del vento che tira aria-tipo (1.800 × 900 × 300 mm, L x W x H; Figura 8) e impostare la velocità del vento di 0,7 m / sec. Assicurarsi che la temperatura è superiore a 20 ° C.
2. Impostare la fonte degli odori (il pIECE di carta da filtro contenente bombykol) a monte della galleria del vento.
   Nota: La larghezza pennacchio dovrebbe essere confermato prima dell'esperimento utilizzando TiCl ₄ ^17,19.
3. Accendere il bordo microcontrollore del robot e stabilire una connessione seriale ad un PC via Bluetooth.
4. Avviare un programma Java su misura denominata "Biosignal", che fornisce un'interfaccia tra il PC e il robot.
   Nota: La finestra principale comprende pulsanti per l'invio di comandi al robot, finestre di testo per la visualizzazione l'ingresso e l'uscita della comunicazione seriale, e piccole scatole per configurare i parametri. I comandi successivi vengono inviati facendo clic sui pulsanti corrispondenti in questo programma, tranne che per la cattura video.
5. Fare clic sul pulsante "Info sul dispositivo" per confermare la connessione con l'invio di un comando al robot tramite la porta COM specificata e controllare che un messaggio viene restituito dal robot.
6. Clicca su "memory erase pulsante "per cancellare i dati precedenti locomozione lasciato nella memoria flash integrata.
7. Fare clic sul pulsante "drivemode1" per inviare i guadagni del motore di default al robot.
   Nota: Le manipolazioni dei guadagni motore e l'intervallo di tempo tra la locomozione insetti e movimento del robot vengono applicati dopo questo passaggio (vedere i passi 6.1 e 6.3, figura 9).
8. Fare clic sul pulsante "non guidare" per inviare un comando per immobilizzare il robot fino a quando l'esperimento si avvia.
9. Mettere il robot in una posizione di partenza (600 mm a valle della sorgente di odore) e accendere l'interruttore del bordo di driver del motore.
10. Premere il pulsante di registrazione della videocamera per avviare la cattura video.
11. Fare clic sul pulsante "Start rec" per inviare un comando di avvio per avviare il robot con una registrazione simultanea della rotazione palla sulla memoria flash integrata. Si osservi che il robot inizia a muoversi e tiene traccia del pennacchio odore.
12. Clicca sul"STOP REC" e "non guidare" i pulsanti per inviare comandi per fermare sia il movimento del robot e la registrazione se il robot localizza la fonte dell'odore.
13. Premere il pulsante di registrazione della videocamera per fermare la cattura video.
14. Scarica i dati registrati locomozione dalla memoria flash integrata al computer tramite una connessione seriale. Chiudi il programma.

6. La manipolazione del robot dell'insetto controllata

Nota: I tempi di ogni manipolazione è indicato in figura 9.

1. La manipolazione dei guadagni a motore
   Nota: Questa manipolazione altera la velocità di traslazione e di rotazione del robot. Guadagni motore asimmetrici generare una polarizzazione rotazione, che può essere usato per studiare come insetti compensare la polarizzazione ^17.
   1. Definire i guadagni di rotazione per la rotazione in avanti e all'indietro del motore su ogni lato ¹⁷ (Figura 6B) modificando °file di posta di configurazione chiamato "param2.txt" utilizzando un editor di testo.
   2. Clicca su "param2 set" per leggere il file di configurazione modificato nel programma software. Quindi, fare clic sul "drivemode2" per inviare i guadagni manipolati per il robot.
2. Inversione dell'uscita del motore
   Nota: Questa manipolazione fornisce una condizione simile a l'inversione dell'ingresso olfattivo bilaterale (vedi passo 6.4) e può essere utilizzato per indagare il significato dell'olfatto bilaterale. Tuttavia, l'inversione di uscita motore inverte anche autoindotta movimento visivo di una falena bordo. L'impatto del input visivo autoindotto rovesciata può essere valutato da un confronto con l'ingresso olfattiva invertito ^19.
   1. Invertire il controllo bilaterale del motore attraversando i cavi di controllo per ogni motore.
3. La manipolazione del tempo di ritardo tra la locomozione insetti e movimento del robot.
   Nota: Questa manipolazionepermette l'indagine del periodo accettabile di tempo speso per l'elaborazione sensoriale-motoria per la robotica odori-tracking. Il microcontrollore memorizza i dati di locomozione su una memoria buffer e quindi lo elabora dopo il ritardo di tempo specificato. Si noti che il robot ha un massimo ritardo interno di 200 msec; di conseguenza, il ritardo di tempo effettivo è prevista per l'intervallo di tempo specificato più di 200 msec ^16,17.
   1. Inserire un numero (da 0-10) in una piccola scatola della finestra principale per specificare un intervallo di tempo da 0-1,000 ms a passi di 100 msec.
   2. Fare clic sul pulsante "set ritardo" per applicare il tempo di ritardo.
4. Manipolazione dell'ingresso olfattivo.
   Nota: Questa manipolazione può essere usato per studiare il significato dell'ingresso olfattiva bilaterale. La direzione ondata di silkmoths è polarizzato sul lato superiore concentrazione ^22.
   1. Modificare il divario tra le punte dei tubi di aspirazione o invertire le loro posizioni per alterare ildifferenza di concentrazione di odore acquisita da ciascuna antenna.
5. Manipolazione di input visivi
   Nota: Questa manipolazione è quello di indagare il ruolo di input visivo per l'odore-tracking.
   1. Coprire il telo con un foglio bianco che occlude 105 ° e 90 ° del campo visivo orizzontale e verticale della falena bordo rispettivamente.

Results

Presentiamo qui le caratteristiche di base del robot insetti controllata richiesta per la localizzazione di successo di una sorgente di odore. Il confronto tra il robot e silkmoths, l'efficacia del sistema di erogazione odore e il significato di accurate olfattiva bilaterale e input visivi sono esaminati.

Il confronto dei comportamenti odori tracciamento tra tarme liberamente piedi e il robot insetto controllato è mostrato in ...

Discussion

I punti più importanti per il controllo di successo del robot da un silkmoth sono lasciando la falena camminare agevolmente sulla palla gonfiabile e il stabilmente misura la rotazione palla. Pertanto, legare il silkmoth e montandolo sulla palla nella posizione appropriata sono i passaggi critici in questo protocollo. adesione inadeguate della falena all'attacco o il posizionamento appropriato della falena sulla palla causerà pressione anomala su di esso, che perturba il normale comportamento di camminare e / o causa...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Falena da seta adulta maschio (Bombyx mori)Alleva			dalle uova o acquista come pupe.
Incubatrice	Panasonic	MIR-254	Conservare le pupe o le falene da seta adulte a una temperatura costante, 238 L.
Scatola di plastica	Sunplatec	O-3	Conservare pupe o falene da seta adulte, 299 &volte; 224 &volte; 62 mm L &volte; W &volte; H.
Filo di			diametro 2 mm per l'attacco. Qualsiasi barra rigida può essere utilizzata come alternativa per rendere l'attacco a legare una falena da seta.
Foglio di plastica	Kokuyo	VF-1420N	Venduto come pellicola per lavagna luminosa con spessore di 0,1 mm. Utilizzare sulla punta dell'attacco.
Forcipe	Come uno	5SA	Rimuovere le squame sul torace.
Adesivo	Konishi	G17	Incolla una falena da seta all'attacco.
Robot controllato da insetti	Custom		Bearing un tapis roulant ad aria, un sensore ottico, schede microcontrollore basate su AVR personalizzate e due motori DC brushless. È alimentato da 8 &volte; AA e 3 &volte; Batterie 006P.
Microcontrollore	Atmel	ATMEGA8	Un componente del robot controllato dagli insetti.
Soffiatore DC	Nidec	A34342-55	Un componente del robot controllato da insetti per far galleggiare una palla in un tapis roulant ad aria.
Ventilatore CC	Minebea	1606KL-04W-B50	Un componente del robot controllato da insetti per l'aspirazione di aria contenente un odore.
Sensore ottico per mouse	Agilent technologies	HDNS-2000	Un componente del robot controllato da insetti, ottenuto da un mouse ottico (M-GUWSRSV, Elecom, Giappone).
Motore brushless	Maxon	EC-45	Un componente del robot controllato da insetti per l'azionamento di una ruota.
		polistirene bianco	Un componente del robot controllato dagli insetti. Diametro 50 mm, massa circa 2 g.
Bombykol: (E,Z)-10,12-esadecadiani-1-olo	Shin-Etsu chimico		Sintesi personalizzata.
n-esano	Wako	085-00416	Solvente per bombykol.
Galleria del vento	Custom		Pulling-air type, dimensioni 1.800 &volte; 900 &volte; 300 mm L &volte; W &volte; H.
Programma BioSignal	Custom		Un programma per stabilire una comunicazione seriale tra il robot controllato da insetti e un PC tramite Bluetooth. Utilizzato per inviare comandi per avviare/arrestare il robot o configurare le sue proprietà del motore.
Videocamera	Sony	HDR-XR520V	Cattura i movimenti del robot.