Name: 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 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-12-19T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min
Description: 学ぶ、シルクガを用いた移動ロボットの匂い追跡実験。昆虫の感覚運動関係をロボット操作で変化させ、バイオミメティックナビゲーションの可能性を評価します。

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浄化されたボンビコールを提供してくださった松山茂さんに感謝します。本研究は、日本学術振興会科学研究費助成事業(課題番号22700197・24650090)およびヒューマン・フロンティア・サイエンス・プログラム(HFSP)の支援を受けて行われました。

1.実験動物<ol><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li> 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。 </li></ol> 2.カイコガをテザリング<ol><li>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。 <ol><li> 、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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li></ol></li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>添付ファイルへのmesonotumを接着。 </li><li>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。 </li></ol> 3.昆虫制御のロボット<ol><li>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。 </li><li>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 &lt;として記載されています/サブ&gt;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）。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li> 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。 </li></ol> 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<s&gt; 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。 <ol><li>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。 </li></ol> 5.臭気源位置推定実験<ol><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li> 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。 </li><li>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。 </li><li> 「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。 </li><li>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）。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li><li>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」。 </li><li>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。 </li><li>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。 </li></ol>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。 <ol><li>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。 <ol><li>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。 </li><li>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。 </li></ol></li><li>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。 <ol><li>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。 </li></ol></li><li>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。 <ol><li>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。 </li><li>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。 </li></ol></li><li>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。 <ol><li>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。 </li></ol></li><li>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。 <ol><li>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。 </li></ol></li></ol>

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</ol>

著者らは開示するものは何もない。

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...

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。

<table><tbody><tr><td>オスの成虫のカイコ(Bombyx mori)</td><td></td><td></td><td>卵から育てるか、蛹として購入します。</td></tr><tr><td>インキュベーター</td><td>パナソニック</td><td>MIR-254</td><td>蛹または成虫のカイコを一定温度、238 Lで保管します。</td></tr><tr><td>プラスチックボックス</td><td>Sunplatec</td><td>O-3</td><td>蛹または成虫の蛹、299 &times; 224 &times; 62 mm L &times;W&タイムズ;H.</td></tr><tr>アタッチメント用の<td>銅線</td><td></td><td></td><td>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。&nbsp;</td></tr><tr><td>プラシート</td><td>コクヨ</td><td>VF-1420N</td><td>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。</td></tr><tr><td>鉗子</td><td>As one</td><td>5SA</td><td>胸部の鱗屑を取り除きます。</td></tr><tr><td>接着剤</td><td>コニシ</td><td>G17</td><td>アタッチメントにカイコを接着します。</td></tr><tr><td>昆虫制御ロボット</td><td>カスタム</td><td></td><td>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 &timesによって動力を供給します。AAと3 &times;006Pバッテリー。</td></tr><tr><td>マイコン</td><td>Atmel</td><td>ATMEGA8</td><td>昆虫制御ロボットの部品です。</td></tr><tr><td>DCブロワー</td><td>日本電産</td><td>A34342-55</td><td>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。&nbsp;</td></tr><tr><td>DCファン</td><td>ミネベア</td><td>1606KL-04W-B50</td><td>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。</td></tr><tr><td>光学式マウスセンサー</td><td>Agilent technologies</td><td>HDNS-2000</td><td>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。</td></tr><tr><td>ブラシレスモーター</td><td>Maxon</td><td>EC-45</td><td>車輪を駆動するための昆虫制御ロボットの部品です。</td></tr><tr><td>白いポリスチレンボール</td><td></td><td></td><td>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。</td></tr><tr><td>Bombykol: (E、Z)-10,12-ヘキサデカディアン-1-オール</td><td>信越化学</td><td></td><td>カスタム合成。</td></tr><tr><td>n-ヘキサン</td><td>和光</td><td>085-00416</td><td>ボンビコール用溶剤</td></tr><tr><td>風洞</td><td>カスタム</td><td></td><td>プリングエアタイプ、サイズ1,800 &times; 900 &times; 300 mm L &times;W&タイムズ;H.</td></tr><tr><td>BioSignalプログラム</td><td>カスタム</td><td></td><td>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。&nbsp;</td></tr><tr><td>ビデオカメラ</td><td>ソニーHDR-XR520V</td><td>ロボットの動きをキャプチャします。</td><td></td></tr></tbody></table>

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

Insect-controlled Robot: A Mobile Robot Platform to Evaluate the Odor-tracking Capability of an Insect

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。

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...

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。

Robotic odor source localization has been a challenging area and one to which biological knowledge has been expected to contribute, as finding odor ...

この実験の全体的な目的は、移動ロボットのコントローラーとして利用される昆虫の臭気追跡能力を評価することです。この手法は、バイオミメティックな移動ロボットのナビゲーションに昆虫をどのように活用するかといった、生物医学分野における主要な課題を解決し得ます。本手法の主な利点は、昆虫を移動ロボットのコントローラーとして直接利用し、臭気源を探索する能力を評価できる点にあります。この手法の意義は、ロボットによる操作で搭載された昆虫の感覚運動関係を変化させることができるため、他の行動の背後にある生物学的メカニズムの理解へと広がります。実験を開始するには、まず、羽化後2日から8日の成虫のカイコガを選択します。濡れたティッシュや綿棒を用いて、中胸背板上の鱗粉を慎重に取り除き、角質層を露出させます。アタッチメント先端のプラスチックストリップに接着剤を塗布します。次に、中胸背板の露出した表面に接着剤を塗布しますが、このとき翼関節や前翅の wing tegulae に触れないよう注意してください。接着剤の粘着性がなくなるまで5〜10分間待ちます。蛾の中胸背板をアタッチメントに接着します。アタッチメントをスタンドに固定し、蛾を繋留した状態に保ちます。蛾が休めるように、脚の下に紙を敷いてください。白い発泡ポリスチレン球の表面を水で洗浄し、嗅覚的または視覚的な手がかりをすべて取り除きます。次に、トレッドミルに空気を供給するファンをオンにします。球がカップの底から約2 mm上方に浮いている状態にします。ネジを使用して、蛾アタッチメントの銅線をロボットのコックピットにある固定具に取り付けます。蛾の中脚のペアがボールの中央に位置するように配置してください。ボールの高さを維持したまま、蛾がボールの上を正常に歩行できるようにアタッチメントの垂直方向の位置を調整します。必要に応じて、拘束した蛾に性フェロモン刺激を与え、歩行行動を確認します。拘束した蛾の歩行行動を確認することは、不規則な行動や光学センサの読み取り動作に伴う、蛾の適切な垂直位置を決定する上で極めて重要です。これらはどちらも、最終的なロボットの動作に直接影響を与えます。吸引式風洞の送風を開始し、風速を0.7 meters per secondに設定します。温度が20 degrees Celsius以上であることを確認してください。臭源を、横風方向の中央かつメッシュパネルから風下方向に25 centimetersの位置に設置します。ロボットのマイクロコントローラボードの電源を入れ、Bluetooth経由でコンピュータとのシリアル接続を確立します。コンピュータとロボットの間でBioSignalプログラムインターフェースを起動します。「about device」ボタンをクリックし、指定した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、ロボットからメッセージが返ってくることを確認してください。「memory erase」ボタンをクリックして、オンボードフラッシュメモリ内の以前の移動データを削除します。次に、「drivemode1」ボタンを押して、デフォルトのモーターゲインをロボットに送信します。「don't drive」をクリックして、実験が始まるまでロボットを静止させるコマンドを送信します。ロボットを、臭気源から下流に60 centimeters離れた開始位置に配置します。モータードライバーボードのスイッチをオンにします。次に、カムコーダーの録画ボタンを押し、ビデオキャプチャを開始します。「record start」ボタンをクリックして開始コマンドを送信し、ロボットを起動させると同時に、ボールの回転をオンボードフラッシュメモリに記録し始めます。ロボットが移動を開始し、臭気のプルームを追跡することを確認してください。ロボットが臭気源を特定したか、あるいは4分以内に特定できなかった場合は、「record stop」および「don't drive」ボタンをクリックし、ロボットの動作と記録の両方を停止させるコマンドを送信してください。最後に、カムコーダーの録画ボタンを押してビデオキャプチャを停止します。昆虫の代償能力を調査するために、ロボットの回転速度および並進速度を変更することも可能です。非対称なモーターゲインの影響をテストするには、まずテキストエディタでパラメータファイルを編集し、回転ゲインを定義します。BioSignalソフトウェアで、編集した設定を読み込むために「setparam2」をクリックします。次に、「drivemode2」をクリックして、操作したゲインをロボットに送信します。嗅覚入力を操作するには、吸引チューブのチップ間の隙間を変更してください。または、位置を反転させることで、各触角に届く臭気濃度を変更することができます。最後に、キャノピーを白紙で覆い、搭載された蛾の水平方向の視野を150度、垂直方向の視野を90度遮蔽することで、視覚入力を変更できます。自由に歩行する蛾と昆虫制御ロボットの臭気追跡行動の比較をここに示します。同一の臭気条件下において、歩行蛾とロボットはともに100%の成功率を記録した。ロボットは歩行蛾に比べて軌跡が広かったが、臭気源特定までに要した時間に有意な差は見られなかった。臭気供給システムは、持ち上げられた状態の蛾の触角に臭気流を供給するために不可欠である。このシステムがない場合、ロボットは臭気源に向かって方向を定めることができず、停止するまで旋回し続けた。チューブ先端の位置を変更することで、臭気追跡における両側嗅覚入力の有効性を評価した。対照群である標準的なワイドチューブ間隔と比較して、ロボットにナローチューブ間隔、反転ワイドチューブ間隔、または反転モーター出力を設定して操作を行った。その結果、ロボットは両方の間隔幅条件において100%の成功率を達成し、定位に要した時間に有意な差は見られなかった。逆に、チューブの先端を反転させると、軌跡が広がり、定位までの時間が延長されましたが、有意な差は見られませんでした。最後に、モーターを反転させた条件では、ロボットが連続して円を描いて移動し、定位までの時間が有意に延長しました。一度習得すれば、適切に行うことで、下げられたコックピットへのカイコガの導入は10分以内に完了できます。本手順を実施する際は、不要な損傷を避けるため、操作全体を通してカイコガを慎重に取り扱うことが重要です。本手順に続き、操作されたロボットボディの操縦を昆虫が学習できるかなど、適応行動の背後にあるメカニズムに関するさらなる疑問を解明するための長期実験を行うことができます。本手法の開発後、神経科学およびロボティクスの分野の研究者が適応行動のメカニズムを探索し、自律型ロボットの制御へ応用するための道が開かれました。

insect-controlled-robot-mobile-robot-platform-to-evaluate-odor

Research

JoVE Journal

Neuroscience

神経科学

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