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

L'obiettivo generale di questo esperimento è valutare la capacità di tracciamento degli odori di un insetto utilizzato come controller di un robot mobile. Questo metodo può affrontare le sfide chiave nel campo della biomedicina, come ad esempio come utilizzare gli insetti nella navigazione biomimetica dei robot mobili. Il vantaggio principale di questa tecnica è che possiamo utilizzare direttamente un insetto come controller di un robot mobile e valutare la sua capacità di trovare una fonte di odore.

Le implicazioni di questa tecnica si estendono alla comprensione dei meccanismi biologici alla base di altri comportamenti, perché i ricercatori possono alterare la relazione senso-motoria di un insetto a bordo mediante la manipolazione robotica. Per iniziare l'esperimento, seleziona prima una falena da seta adulta di età compresa tra due e otto giorni. Rimuovere delicatamente tutte le squame sul mesonoto utilizzando un pezzo di tessuto umido o un batuffolo di cotone per esporre la cuticola.

Incolla un adesivo sulla striscia di plastica all'estremità dell'attacco. Quindi, incollare un po' di adesivo sulla superficie del mesonoto esposto, facendo attenzione a non toccare la cerniera dell'ala o le tegole dell'ala anteriore. Attendi da cinque a dieci minuti fino a quando l'adesivo non è più appiccicoso.

Incollare il mesonoto della falena all'attacco. Mantieni la falena legata ancorando l'accessorio a un supporto. Metti un pezzo di carta sotto le zampe della falena per permetterle di riposare.

Lavare la superficie di una pallina di polistirene espanso bianca con acqua per eliminare eventuali segnali olfattivi o visivi. Quindi, accendi la ventola che fornisce aria al tapis roulant. La palla dovrebbe galleggiare a circa due millimetri sopra il fondo della tazza.

Utilizzando una vite, fissare il filo di rame dell'attacco della falena all'attrezzatura nella cabina di pilotaggio del robot. Assicurati che la falena sia posizionata con la coppia di zampe centrali al centro della palla. Mantenendo la stessa altezza della palla, regolare la posizione verticale dell'accessorio per consentire alla falena di camminare normalmente sulla palla.

Se lo si desidera, eseguire la stimolazione con feromoni sessuali sulla falena legata per controllare il suo comportamento di camminata. Il controllo del comportamento di deambulazione di una falena legata è fondamentale in un'appropriata posizione verticale della falena con il suo comportamento irregolare o il comportamento di lettura ottico-sensoriale. Entrambi influenzano direttamente il movimento del robot risultante.

Accendi l'aria di una galleria del vento ad aria e imposta la velocità del vento a 0,7 metri al secondo. Assicurarsi che la temperatura sia superiore a 20 gradi Celsius. Posiziona l'odorante al centro della posizione del vento laterale e a 25 centimetri sottovento da un pannello in rete.

Accendi la scheda del microcontrollore del robot e stabilisci una connessione seriale a un computer tramite Bluetooth. Avvia l'interfaccia del programma BioSignal tra il computer e il robot. Fare clic sul pulsante Informazioni sul dispositivo"per confermare la connessione inviando un comando al robot tramite la porta COM specificata, quindi verificare che venga restituito un messaggio dal robot.

Fare clic sul pulsante "Cancellazione memoria" per rimuovere tutti i dati di locomozione precedenti nella memoria flash di bordo. Quindi, premere il pulsante drivemode1" per inviare i guadagni del motore predefiniti al robot. Clicca su non guidare"per inviare il comando al robot di immobilizzarsi fino all'inizio dell'esperimento.

Posizionare il robot nella posizione iniziale a 60 centimetri a valle della fonte dell'odore. Accendere l'interruttore sulla scheda del driver del motore. Quindi, premere il pulsante di registrazione sulla videocamera per avviare l'acquisizione video.

Fare clic sul pulsante di avvio della registrazione per inviare un comando di avvio che avvierà il robot e contemporaneamente inizierà la registrazione della rotazione della palla sulla memoria flash integrata. Il robot dovrebbe iniziare a muoversi e tracciare il pennacchio di odore. Quando il robot localizza la fonte dell'odore o non lo localizza entro quattro minuti, fare clic sui pulsanti di arresto della registrazione "e non guidare" per inviare comandi per interrompere sia il robot che la registrazione.

Infine, premere il pulsante di registrazione della videocamera per interrompere l'acquisizione del video. La velocità di rotazione e traslazione del robot può anche essere modificata per studiare le capacità compensatorie dell'insetto. Per testare l'effetto dei guadagni motori asimmetrici, definire prima i guadagni rotazionali modificando il file dei parametri nell'editor di testo.

Nel software BioSignal, fare clic su setparam2" per leggere la configurazione modificata. Quindi, fare clic su drivemode2"per inviare questi guadagni manipolati al robot. Per manipolare l'input olfattivo, modificare lo spazio tra le punte del tubo di aspirazione.

Oppure, invertire le loro posizioni per modificare la concentrazione dell'odore erogato a ciascuna antenna. Infine, l'input visivo può essere modificato coprendo il tettuccio con carta bianca per occludere rispettivamente 150 gradi e 90 gradi del campo visivo orizzontale e verticale della falena di bordo. Il confronto dei comportamenti di tracciamento degli odori tra le falene che camminano liberamente e il robot controllato dagli insetti è mostrato qui.

Nelle stesse circostanze di odore, sia le falene che camminano che i robot hanno ottenuto percentuali di successo del 100%Sebbene il robot mostrasse traiettorie più ampie rispetto alla falena che camminava, non c'era alcuna differenza significativa nel tempo per la localizzazione degli odori. Il sistema di erogazione degli odori è necessario per fornire il flusso di odorizzante alle antenne della falena elevata. Senza questo sistema, il robot non poteva orientarsi verso la fonte dell'odore e continuava a girare in cerchio fino a quando non si fermava.

L'efficacia di un input olfattivo bilaterale per il tracciamento degli odori è stata valutata modificando la posizione delle punte del tubo. Rispetto allo spazio tra i tubi larghi standard di controllo, i robot sono stati manipolati per avere uno spazio tra i tubi stretti, uno spazio tra i tubi larghi invertito o un'uscita del motore invertita. Il robot ha ottenuto il 100% di successo in entrambe le condizioni di larghezza della fessura, senza differenze significative nel tempo di localizzazione.

Al contrario, l'inversione delle punte del tubo ha ampliato le traiettorie e aumentato il tempo di localizzazione, anche se non in modo significativo. Infine, nella condizione di motore invertito, i robot giravano in cerchio continuo, allungando notevolmente il tempo di localizzazione. Una volta padroneggiata, l'implementazione di una falena da seta nella cabina di pilotaggio ribassata può essere eseguita entro dieci minuti se eseguita correttamente.

Durante il tentativo di questa procedura, è importante ricordarsi di maneggiare delicatamente la falena da seta durante l'operazione per evitare danni inutili. Seguendo questa procedura, l'esperimento a lungo termine può essere eseguito per rispondere a ulteriori domande riguardanti i meccanismi alla base dei comportamenti adattivi, ad esempio se gli insetti possono imparare a pilotare il corpo robotico manipolato. Dopo il suo sviluppo, questa tecnica ha aperto la strada ai ricercatori nel campo delle neuroscienze e della robotica per esplorare i meccanismi dei comportamenti adattivi e l'applicazione al controllo di robot autonomi.