昆虫制御のロボット：移動ロボットプラットフォーム昆虫の匂い追跡能力を評価します

Summary

臭気源を局在化する能力は、昆虫の生存のために必要であり、人工的な匂いトラッキングに適用可能であることが期待されています。昆虫制御のロボットは、実際のカイコガによって駆動され、ロボットプラットフォームを通して昆虫の匂い追跡能力を評価することを可能にされています。

Abstract

ロボットによる匂い源の局在化は困難な領域であり、生物の生存のためには匂い源を見つけることが不可欠な課題であるため、生物学的知識が貢献することが期待されてきました。昆虫は匂いの追跡に関してよく研究されている生物であり、その行動戦略は評価のために移動ロボットに適用されています。この「ボトムアップ」アプローチは、生体模倣ロボットを開発するための基本的な方法です。しかし、生物学的解析と行動メカニズムのモデリングはまだ進行中です。そのため、このような生体システムが実際にロボットプラットフォームの制御装置としてどのように機能しているのかは、まだわかっていません。この問いに答えるために、私たちは、オスの成体カイコ(Bombyx mori)が匂い刺激に応答してロボットカーを運転する昆虫制御ロボットを開発しました。これは、将来の昆虫擬態ロボットのプロトタイプといえるでしょう。ロボットのコックピットでは、つながれたカイコが空気で支えられたボールの上を歩き、光学センサーがボールの回転を測定しました。これらの回転は、二輪ロボットの動きに変換されました。この「ハイブリッド」アプローチの利点は、実験者がロボットの任意のパラメータを操作できるため、昆虫の匂い追跡能力の評価が可能になり、ロボットの匂い追跡に有用な提案を提供できることです。さらに、これらの操作は、パイロット昆虫の感覚運動関係を変化させる非侵襲的な方法であり、適応行動を理解するための有用な技術となるでしょう。

Introduction

臭気源を見つけることができる自律型ロボットは、社会の安全と安心にとって重要になる可能性があります。災害の犠牲者、空港での薬物や爆発物、環境内の危険物の流出や漏れの検出に使用できます。現在、これらの作業は十分に訓練された動物(犬など)に完全に依存しており、ロボットによる臭気源の局在化は、これらの動物の作業負荷を軽減することが強く期待されています。匂いの原因を見つけることは、匂い物質が大気中に断続的に分布しているため、ロボットにとって困難な作業です¹。そのため、臭気濃度勾配の連続サンプリングが常に可能であるとは限りません。したがって、ロボットによる臭気源の局在化^2-4を達成するためには、断続的な臭気手がかりを用いた探索戦略が必要である。

臭気源の局在化は生物の生存に不可欠であり、食物の検索、交配相手、産卵の場所などのタスクが含まれます。斑状に分布した匂い物質の追跡の難しさを克服するために、生物は、匂い受容中の上流への移動と匂い受容の停止中のクロスストリームという2つの基本的な行動からなるさまざまな行動戦略を進化させてきました^5,6。これらの反応性戦略は、昆虫で十分に文書化されており、さらに風向や視覚^5-8などの他のモダリティと組み合わされています。昆虫の行動モデルは、ロボティクス^3,9-11にとっても有用な例であり、行動アルゴリズムまたは神経回路モデルを移動ロボットに実装して、匂い源の局在能力^{を評価する10,12-15}。バイオミメティックな観点から見ると、この「ボトムアップ」アプローチは、バイオミメティックロボットを開発するための基本的な方法であることは確かです。しかし、ボトムアップアプローチは、生物学的分析がまだ進行中であり、昆虫の行動の背後にある感覚運動システムのモデリングが完了していないため、有用な探索戦略を得るための近道ではありません。そのため、このような生体システムが実際にロボットプラットフォームのコントローラーとしてどのように機能しているのかは、まだわかっていません。

この記事では、生物学的システムによって制御される匂い追跡移動ロボットを開発するための単純な「トップダウン」アプローチのプロトコルを示します^16,17。このロボットは本物の昆虫によって制御されており、将来の昆虫模倣ロボットのプロトタイプと見なすことができます。ロボットのコックピットでは、つながれた成体のオスのカイコ(Bombyx mori)が、空気吸引チューブを通じて各アンテナに送達された女性の性フェロモンに反応して、空気で支えられたボールの上を歩きました。搭載された蛾の歩行によって引き起こされるボールの回転は、光学センサーによって測定され、二輪ロボットの動きに変換されました。この「ハイブリッド」アプローチの利点は、実験者が、パイロット昆虫がロボットと実際の臭気状況との間の閉ループにあるロボットプラットフォーム上で、昆虫の感覚運動システムがどのように機能するかを調査できることです。ロボットハードウェアの操作により、閉ループが変更されます。したがって、昆虫制御ロボットは、エンジニアと生物学者の両方にとって有用なプラットフォームです。エンジニアリングの場合、ロボットは、ロボットタスクの要件を満たすために生物学的モデルを適用する最初のステップを表しています。生物学の場合、このロボットは閉ループ下での感覚運動制御を研究するための実験プラットフォームです。

Protocol

1.実験動物

1. その羽化まで男性silkmoths（ カイコ ）の蛹を維持するためにプラスチックの箱を用意します。ボックス（ 図1A）の内壁の周りに段ボールの底部との作品で紙タオルを置きます。
   注：羽化（ 図1A）の間に彼らの翼を拡張しながら大人の蛾は、保持するために段ボールのピースが必要です。
2. ボックス内の男性カイコガ（ カイコMORⅰ）蛹を入れて、16時間の下で羽化するまでインキュベータに保管してください：8時間の明：暗サイクルを25℃で。
   注：男性と女性の蛹は、腹部（ 図1B）上のセックスマーキングによって判別することができます。
3. 羽化後に成人男性の蛾を収集し、新しいボックスに移動します。
4. 8時間の光：16時間の下インキュベーター内大人の蛾を保つ暗サイクルと実験の前に、それらの活性を低下させるために15℃まで温度を下げます。

2.カイコガをテザリング

1. テザリングのためのアタッチメント（ 図2A）の作製
   注：添付ファイルは、その先端に薄いプラスチックシートのストリップと銅線で構成されています。これは、（ 図2B）を歩行中に胸部の背腹運動を保証します。
   1. 、薄いプラスチックシートのストリップを準備し、2×40ミリメートル（厚さ：0.1ミリメートル）、および途中でそれを折ります。
   2. 接着剤で銅線の先端に折り畳まれたストリップを取り付けます。
   3. カイコガの胸部が装着されている折り畳まれたストリップの先端を曲げます。
2. 実験用の光期間中（2-8日齢）大人の蛾を使用してください。
   注：フェロモンに対する感度が強く概日時計¹⁸に依存します。 カイコは昼行性の蛾であるため、実験は光期間中に実行されなければなりません。
3. ゆっくりDOR上のすべてのスケールを除去ウェットティッシュ（または綿棒）の一部を使用して、SAL胸郭（mesonotum）とmesonotum（ 図2C）のキューティクルを公開します。
4. 小型のマイナスドライバで添付ファイルにあるプラスチックのストリップ上に露出mesonotumの表面に接着剤を貼り付け、接着剤がもはや粘着性になるまで5〜10分待ちません。
   注：接着剤が翼ヒンジや前翅のtegulaの複数形（ 図2C）に触れないようにしてください。
5. 添付ファイルへのmesonotumを接着。
6. ロボットのコックピットの内側にそれを置く前につなが蛾を保管してください。スタンドに添付ファイルを持ち、蛾を休むように足の下に一枚の紙を置きます。

3.昆虫制御のロボット

1. 前の作品^16,17,19に基づいて、昆虫制御のロボットのハードウェアを設計します。
   注：昆虫制御のロボットがCAPTURする光学式マウスのセンサーで空気サポートトレッドミルで構成されていE昆虫移動、処理、モータ制御用の特注のAVRベースのマイクロコントローラボード、2つのDCブラシレスモータ（ 図3及び4）。ロボットは、200ミリ秒の遅延時間以内に、96％の精度以上でボールの回転に基づいて実行することができます。また、フェロモン追跡動作¹⁶の間にカイコガの最大前進速度の移動度（24.8ミリメートル/秒）と角速度（96.3°/ sec）を保証します。車載蛾ボールにスムーズに歩くし、2つのアンテナによって臭いを取得するためにトレッドミル（ 図5A）及び臭気送達システム（ 図5B）の空気の流れを設計されています。トレッドミルの吸気フローチャネルがフェロモンの汚染を回避するために、臭気デリバリーシステムのものから分離されています。
2. 前の作品¹⁶に基づいて、オンボードのマイクロコントローラ用のソフトウェアを設計します。
   注意：オンボードのマイクロコントローラは、トンを算出し、彼光学センサで測定した昆虫の歩行からロボットの動き（回転、ΔはX;翻訳、ΔY; 図6）。このようなΔL =（ASΔ;走行距離（ΔL）とロボットの単位時間当たりの角度（Δθ）を回し、各車輪の走行距離に基づいて計算される（右、ΔL _R左、ΔLが _L） Lの _L +ΔL _R）/ 2、Δθ=（ΔL _L - D・ _{ホイールは、2}つ_の車輪（120ミリメートル）との間の距離であり、ΔL _R）/ D・ _ホイール 、。 ΔL _LとΔL _Rは、さらにΔL _L =Δの長さ _x、L +ΔのL _yを _、L及び_ΔL、Rは 、ΔLの _X、R +ΔL _yを=、Δの長さ _{×R、L <}として記載されています/サブ>とΔの長さ _x、Rは Δxによって制御さ左右の車輪の移動距離、及びΔL _yを _、L、ΔLの _yは_{、Rは、Δy}で制御されるものです。理想的には、ΔLの _X、L、ΔLの _X、Rは Δの長さ _x、L =-Δの長さ _x、R = GΔのX（D _ホイール / D _ボール ）として記載されており、ΔL _yを _、L及びΔL _{yの、Rは、G} は、モータゲインとD _ボールがボール（50 mm）の直径であるΔL _yを _、L =ΔLが _Y、R = GΔyを、として記載されています。実際には、モータの利得は独立ロボットの運動を較正するように、それぞれの側（左または右車輪）によって、各方向（順方向または逆方向の回転）によって設定されます。独立した利益は、さらにを可能にロボットの旋回バイアスを生成する非対称モータ回転の設定（ステップ6.1参照）。
3. 白い発泡スチロールのボールの表面を洗浄（質量：約2グラム、直径：50ミリメートル）の任意の可能な嗅覚や視覚的な手がかりを除去するために水で。
   注：新しいボールの表面は、ボール上の脚のグリップを確保P400、として、目の細かいサンドペーパーで粗面化しなければなりません。
4. トレッドミルに9 Vで空気を供給した （ 図5A）ボールを浮遊する送風ファンをオンにします。カップの底からボールフロート約2ミリメートルを守ってください。
5. ネジを使用して、蛾の添付ファイルの銅線を接続します （ 図3挿入図を参照）ロボットのコックピット内の固定具に（ステップ2を参照）。真ん中の足の位置がボールの中心（ 図7A）であることを確認します。
6. Bに正常に歩くこと蛾を有効にするには、添付ファイルの垂直位置を調整しますすべて。前と蛾（ 図7B）を取り付けた後に同じ高さにボールをキープ。
   注意：添付ファイルの低過ぎる位置が原因の垂直位置の変化に蛾に圧力を追加し、高すぎる位置が不安定な歩行とセンサーの故障の原因となるのに対し、圧力（ 図7C）を抵抗する後方歩行を引き出しますボール（ 図7D）。通常の歩行動作を確認するには、シングル・パフフェロモン刺激は蛾の中を歩いてトリガするために使用されている（フェロモン刺激のために、ステップ4を参照してください）。ボンビコールへの以前の暴露がsilkmothsをhabituatesとその感度（松山と神崎、未発表データ）を減少させるため、テスト刺激は最小限でなければならないことに注意してください。

4.臭気ソース準備

注：（：（E、Z）-10,12-hexadecadien -1-オールボンビコール）男性カイコは同種の雌性フェロモンの主成分に敏感です 20アップ。ボンビコールと実験装置の汚染は、臭気の追跡行動を誘発し、蛾の応答性に影響を与えます。

1. ろ紙（約10ミリメートル×10ミリメートル）の一片にn-ヘキサン（200 ngの/μL）に溶解したボンビコール溶液10μlをドロップします。ろ紙の個あたりボンビコールの量は2000 ngのです。
   注：、蛾の正常な歩行動作をチェックするには、このステップでフェロモン刺激カートリッジを準備します。カートリッジは、フィルター紙の一枚はボンビコールの2,000 ngのを含有するガラスパスツールピペットです。電球を押すとボンビコールを含む空気をパフ。

5.臭気源位置推定実験

1. プルエア型風洞のファン（1800×900×300ミリメートル、L×W×H; 図8）をオンにして、0.7メートル/秒の風速を設定します。温度を超える20℃であることを確認してください。
2. 臭気源を設定した（p風洞の上流ボンビコールを含むろ紙のIECE）。
   注：プルームの幅は、TiCl ₄を^17,19を使用することにより、実験前に確認する必要があります。
3. ロボットのマイコン基板の電源をオンにし、Bluetooth経由でPCへのシリアル接続を確立します。
4. PCとロボットとの間のインターフェースを提供する「生体情報統合」と呼ばれるカスタムメイドのJavaプログラムを起動します。
   注：メインウィンドウには、パラメータを設定するには、ロボットにコマンドを送信するためのボタン、シリアル通信の入力と出力を表示するテキストウィンドウ、小さなボックスが含まれています。後続のコマンドは、ビデオキャプチャを除いて、このプログラムに対応するボタンをクリックすると送信されます。
5. 指定されたCOMポートを介してロボットにコマンドを送信して接続を確認し、メッセージがロボットによって返されることを確認し、「デバイスについて」ボタンをクリックします。
6. 「メモをクリックします。RY消去」ボタンは、オンボードフラッシュメモリ上に残った前の歩行データを消去します。
7. ロボットにデフォルトのモーターの利益を送信するために「drivemode1」ボタンをクリックします。
   注意：モーターの利益および昆虫歩行とロボットの動きの間の時間遅延の操作は、このステップの後に適用されている（ 図9、ステップ6.1および6.3を参照）。
8. 実験が開始されるまでロボットを固定化するためにコマンドを送信するために、「運転しない」ボタンをクリックします。
9. 開始位置（臭気源から下流の600ミリメートル）でロボットを入れて、モータドライバボードのスイッチをONにしてください。
10. ビデオキャプチャを開始するには、ビデオカメラの録画ボタンを押してください。
11. オンボードフラッシュメモリ上のボールの回転の同時記録でロボットを開始するためにスタートコマンドを送信するために「RECスタート」ボタンをクリックします。ロボットが移動を開始し、臭気プルームを追跡していることを確認します。
12. クリックします。「RECストップ」とは、ロボットが臭気源を局在化する場合は、ロボットの動きと記録の両方を停止するためのコマンドを送信するためのボタンが「運転しません」。
13. ビデオキャプチャを停止するには、ビデオカメラの録画ボタンを押してください。
14. ダウンロードは、シリアル接続を介してコンピュータにオンボードフラッシュメモリから歩行データを記録しました。プログラムを終了します。

昆虫制御ロボットの6マニピュレーション

注：各操作のタイミングは、 図9に示されています。

1. モータ利益の操作
   注意：この操作は、ロボットの並進および回転速度を変化させます。非対称モータ利益は、昆虫、バイアス¹⁷を補償する方法を調査するために使用することができる回転バイアスを生成します。
   1. 目を編集して、各側面¹⁷に、モータ（ 図6B）の前方と後方回転する回転利益を定義します電子構成ファイルは、テキストエディタを使用して「param2.txt」と命名します。
   2. ソフトウェアプログラムで編集した設定ファイルを読み込むには、「設定PARAM2」をクリックします。そして、ロボットに操作利益を送信するために「drivemode2」をクリックしてください。
2. モータ出力の反転
   注：この操作は、二国間嗅覚入力の反転と類似の条件を提供する（ステップ6.4参照）および両側嗅覚の重要性を調査するために使用することができます。しかし、モータ出力の反転はまた、オンボード蛾の自己誘導視覚運動を反転させます。反転自己誘導視覚入力の影響が反転嗅覚入力¹⁹と比較して評価することができます。
   1. 各モータのための制御ケーブルを交配することにより、二国間のモータ制御を反転。
3. 昆虫歩行ロボットの動きとの間の時間遅延の操作。
   注：この操作ロボット臭気追跡のための感覚運動処理に費やされた時間の許容可能な期間の調査を可能にします。マイクロコントローラは、バッファメモリ上の移動データを格納した後、指定された時間遅延の後にそれを処理します。ロボットは200ミリ秒の最大内部時間遅延を持っていることに注意してください。従って、実際の時間遅延は、指定された時間遅延と200ミリ秒^16,17であることが期待されます。
   1. メインウィンドウの小さなボックスに入力（0〜10）の数は、100ミリ秒のステップで0〜1,000ミリ秒から時間遅延を指定します。
   2. 時間遅延を適用するために「設定された遅延」ボタンをクリックします。
4. 嗅覚入力の操作。
   注：この操作は、二国間嗅覚入力の有意性を調べるために使用することができます。 silkmothsのサージ方向が高濃度側²²に付勢されています。
   1. 吸引チューブの先端との間のギャップを変更するか、または変更するためにそれらの位置を反転各アンテナで取得した臭気濃度の差。
5. 視覚入力の操作
   注：この操作は臭気追跡のための視覚入力の役割を調査することです。
   1. それぞれ、オンボード蛾の水平方向と垂直方向の視野の105°と90°を吸蔵ホワイトペーパーでキャノピーをカバーしています。

Results

ここでは臭気源の成功ローカライズするために必要な昆虫制御ロボットの基本的な特性を提示します。ロボットとsilkmoths、臭気デリバリーシステムの有効性、および正確なバイラテラル嗅覚および視覚インプットの重要性との間の比較を検討しています。

自由に歩行蛾や昆虫制御のロボットと臭気トラッキングビヘイビアの比較を図10AおよびBに示されています。同じ匂いの状況下では、歩行蛾とロボットの両方が100％の成功率（;ロボット、N = 7蛾で7件の試験を歩い蛾、N = 10蛾によって10試行）を獲得しました。ロボットが歩行蛾のものに比べてより広範な軌道を示したものの、時間に有意差はP（歩行蛾とロボットの間のローカライズにありませんでした2; 0.05、Wilcoxonの順位和検定;蛾、中央値= 46.5秒、IQR = 36.7、69.6;ロボッ...

Discussion

カイコガによってロボットの制御の成功のための最も重要な点は蛾が空気でサポートされているボールにスムーズに歩くせると安定したボールの回転を測定しています。したがって、カイコガをテザリングして、適切な位置にボールにマウントすることは、このプロトコルで重要なステップです。添付ファイルまたはボールに蛾の不適切なポジショニングに蛾の不適切な密着性は通常の歩行動作を摂動および/またはボールの回転を測定するための光センサの故障を引き起こし、その上に不自然な圧力を引き起こします。ポリスチレン球を粗くするスリップ蛾を防止することも重要です。刺激とその後のロボットの動きを臭気に応答して係留蛾の運動は慎重に前臭気トラッキング試験（ステップ3.6を参照）にチェックする必要があります。

それはほとんどを提供するトレッドミルの曲率を、低下するため、より大きなボールの使用が優れています昆虫の足のための平坦面。ここで使用される50 mmの直径のボールがsilkmothsため、従来のトレッドミルの設定で使用されるものに比べて比較的小さい（直径75 mm）の^24。ボールの慣性がロボットの動きの間...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
オスの成虫のカイコ(Bombyx mori)			卵から育てるか、蛹として購入します。
インキュベーター	パナソニック	MIR-254	蛹または成虫のカイコを一定温度、238 Lで保管します。
プラスチックボックス	Sunplatec	O-3	蛹または成虫の蛹、299 × 224 × 62 mm L ×W&タイムズ;H.
銅線			直径2mm。任意の硬いバーは、テザーアタッチメントをカイコにするための代替手段として使用できます。
プラシート	コクヨ	VF-1420N	オーバーヘッドプロジェクターフィルムとして販売 厚さ0.1mmの アタッチメントの先端でご使用ください。
鉗子	As one	5SA	胸部の鱗屑を取り除きます。
接着剤	コニシ	G17	アタッチメントにカイコを接着します。
昆虫制御ロボット	カスタム		ベアリング エアサポートトレッドミル、光学センサー、特注のAVRベースのマイコンボード、および2つのDCブラシレスモーター。それは8 ×によって動力を供給します。AAと3 ×006Pバッテリー。
マイコン	Atmel	ATMEGA8	昆虫制御ロボットの部品です。
DCブロワー	日本電産	A34342-55	エアサポートトレッドミルでボールを浮かべる昆虫制御ロボットの部品です。
DCファン	ミネベア	1606KL-04W-B50	臭いを含む空気を吸引する昆虫制御ロボットの部品です。
光学式マウスセンサー	Agilent technologies	HDNS-2000	光学式マウス(M-GUWSRSV、エレコム社、日本)から取得した昆虫制御ロボットの部品。
ブラシレスモーター	Maxon	EC-45	車輪を駆動するための昆虫制御ロボットの部品です。
白いポリスチレンボール			昆虫制御ロボットのコンポーネント。直径50 mm、質量約2 g。
Bombykol: (E、Z)-10,12-ヘキサデカディアン-1-オール	信越化学		カスタム合成。
n-ヘキサン	和光	085-00416	ボンビコール用溶剤
風洞	カスタム		プリングエアタイプ、サイズ1,800 × 900 × 300 mm L ×W&タイムズ;H.
BioSignalプログラム	カスタム		昆虫制御ロボットとPC間のシリアル通信をBluetooth経由で確立するプログラム。ロボットの始動/停止コマンドの送信や、ロボットのモーター特性の設定に使用します。
ビデオカメラ	ソニーHDR-XR520V	ロボットの動きをキャプチャします。