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
December 19th, 2016
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。
この実験の全体的な目標は、移動ロボットのコントローラーとして使用される昆虫の匂い追跡能力を評価することです。この方法は、バイオミメティックモバイルロボットのナビゲーションで昆虫をどのように活用するかなど、バイオメディック分野の主要な課題に対処できます。この技術の主な利点は、昆虫を移動ロボットのコントローラーとして直接使用し、その臭気源を見つける能力を評価できることです。
この手法の意味するところは、研究者がロボット操作によって搭載された昆虫の感覚運動関係を変え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にまで及びます。実験を開始するには、まず2日から8日齢の成体カイコを選択します。湿ったティッシュまたは綿棒を使用して、キューティクルを露出させるために、メソノタムのすべての鱗をそっと取り除きます。
アタッチメントの端にあるプラスチックのストリップに接着剤を貼り付けます。次に、露出したメソノタムの表面に接着剤を貼り付け、翼のヒンジや前翅のテグラに触れないように注意してください。接着剤がべたつかなくなるまで5〜10分待ちます。
蛾の中鼻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て、蛾をつなぎとめておきます。蛾の足の下に紙を置いて休ませます。
白い発泡スチロールボールの表面を水で洗い、嗅覚や視覚的な手がかりを取り除きます。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。ボールはカップの底から約2ミリメートル上に浮く必要があります。
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内の固定具に取り付けます。蛾が中央の脚のペアがボールの中央に配置されていることを確認してください。ボールの高さを同じに保ちながら、アタッチメントの垂直位置を調整して、蛾がボールの上を正常に歩くことができるようにします。
必要に応じて、つながれた蛾に性フェロモン刺激を行い、歩行行動を確認します。つながれた蛾の歩行行動を確認することは、蛾の不規則な行動や光学感覚読み取りの行動を伴う蛾の適切な垂直位置で重要です。どちらも、結果として生じるロボットの動きに直接影響します。
引っ張り式風洞の空気をONにし、風速を秒速0.7メートルに設定します。温度が摂氏20度を超えていることを確認してください。ニオイ物質を横風位置の中央にセットし、メッシュパネルから風下25センチ
メートルに置きます。ロボットのマイクロコントローラーボードの電源を入れ、Bluetooth経由でコンピューターへのシリアル接続を確立します。コンピューターとロボットの間のBioSignalプログラムインターフェースを起動します。「デバイスについて」ボタンをクリックして、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されることを確認します。
「メモリ消去」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すべて削除します。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。「運転しないでください」をクリックして、実験が始まるまでロボットにコマンドを送信して動けなくします。
臭気源から60センチ下流の開始位置にロボットを配置します。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、ビデオカメラの録画ボタンを押して、ビデオキャプチャを開始します。
「記録開始」ボタンをクリックすると、ロボットを開始すると同時に、ボールの回転の記録をオンボードフラッシュメモリに開始する開始コマンドが送信されます。ロボットは動き始め、臭気プルームを追跡します。ロボットが臭気源を特定した場合、または4分以内に特定しない場合は、「録画停止」および「運転しない」ボタンをクリックして、ロボットと録音の両方を停止するコマンドを送信します。
最後に、ビデオカメラの録画ボタンを押して、ビデオキャプチャを停止します。ロボットの回転速度と並進速度を変更して、昆虫の代償スキルを調査することもできます。非対称モーター ゲインの効果をテストするには、まずテキスト エディターでパラメーター ファイルを編集して回転ゲインを定義します。
BioSignalソフトウェアで、「setparam2」をクリックして、編集した設定を読み取ります。次に、drivemode2」をクリックして、これらの操作され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、吸引チューブの先端の間のギャップを変更します。
または、位置を反転させて、各アンテナに配信される臭気濃度を変更します。最後に、キャノピーを白い紙で覆って、搭載された蛾の水平視野と垂直視野をそれぞれ150度と90度遮蔽することにより、視覚入力を変更できます。ここでは、自由に歩く蛾と昆虫制御ロボットの匂い追跡行動の比較を示します。
同じ匂いの状況下で、歩く蛾とロボットの両方が100%の成功率を記録しましたロボットは歩く蛾と比較してより広い軌道を示しましたが、匂いの局在化までの時間に大きな違いはありませんでした。匂い送達システムは、高架蛾のアンテナに臭気の流れを供給するために必要です。このシステムがないと、ロボットは臭気源に向きを変えることができず、匂いが止まるまで旋回を続けていました。
匂い追跡のための両側の嗅覚入力の有効性は、チューブの先端の位置を変更することによって評価されました。制御規格のワイドチューブギャップと比較して、ロボットは狭いチューブギャップ、逆ワイドチューブギャップ、または逆モーター出力のいずれかを持つように操作されました。このロボットは、両方のギャップ幅条件で100%の成功を達成し、位置推定までの時間に大きな差はありませんでした。
逆に、チューブ先端の反転は軌道を広げ、位置特定までの時間を増加させましたが、それほど大きくはありませんでした。最後に、倒立モーター状態では、ロボットは連続的に旋回し、位置推定までの時間が大幅に長くなりました。一度習得すれば、下げられたコックピットへのカイコブの実装は、適切に実行されれば10分以内に行うことができます。
この手順を試みるときは、不必要な損傷を避けるために、操作全体を通してカイコを優しく扱うことを忘れないでください。この手順に続いて、昆虫が操作されたロボット本体を操縦することを学ぶことができるかどうかなど、適応行動の背後にあるメカニズムに関する追加の質問に答えるために、長期にわたる実験を行うことができます。この技術は、その開発後、神経科学とロボット工学の分野の研究者が適応行動のメカニズムと自律型ロボットの制御への応用を探求する道を開きました。
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概要
この研究は、昆虫、特にカイコガの匂い追跡能力を移動ロボットの制御装置として評価します。この発見は、ロボット工学における生物模倣ナビゲーションと感覚運動関係の理解に影響を与える可能性があります。
研究の主要な構成要素
科学分野
- 神経科学
- ロボット工学
- 生物模倣学
背景
- 昆虫は匂いの局在化のための洗練されたメカニズムを進化させています。
- これらのメカニズムを理解することで、ロボットのナビゲーションを向上させることができます。
- 昆虫を制御装置として使用することは、行動を研究するユニークなアプローチを提供します。
- カイコガは効果的な匂い追跡能力のために選ばれています。
研究の目的
- カイコガが移動ロボットを匂い源へ導く能力を評価すること。
- 生物医学とロボット工学における潜在的な応用を探ること。
- ロボット操作を通じて感覚運動関係を調査すること。
使用された方法
- 2日から8日の成体カイコガの選択。
- 胸部の鱗を除去してカイコガを準備すること。
- 昆虫によって制御される移動ロボットの利用。
- 昆虫の反応に基づいてロボットの匂い追跡能力の評価。
主要な結果
- カイコガは匂い源に向かってロボットを成功裏に導きました。
- ロボット操作によって昆虫の感覚運動関係が変化しました。
- この方法は生物模倣ナビゲーションのさらなる研究の可能性を示しました。
- この発見は昆虫行動の背後にある生物学的メカニズムの理解に貢献します。
結論
- この研究はロボットナビゲーションにおける昆虫の使用の実現可能性を強調しています。
- ロボット工学と神経科学の両方で研究の道を開きます。
- 将来の研究はこれらの発見に基づいてロボットシステムを強化することができます。
よくある質問
Executive Industry Relevance
This hybrid insect-robot platform enables direct evaluation of biological odor-tracking mechanisms in a controlled robotic system, offering a unique approach to de-risk target validation in sensory neuroscience and biomimetic engineering. By using a live insect as a sensorimotor controller, the method provides quantitative behavioral outputs that support mechanistic understanding of adaptive navigation strategies. This approach bridges discovery biology and engineering design, informing early-stage target hypothesis testing for olfactory-guided systems.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of olfactory-driven behavioral hypotheses by measuring insect-guided robot navigation in response to controlled odor stimuli.
- Operational Value: Provides a reversible, non-invasive method to alter sensory-motor coupling and assess adaptive behavioral plasticity without genetic or pharmacological perturbation.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative readouts of trajectory, localization time, and success rate under manipulated olfactory or motor conditions, enabling standardized behavioral phenotyping.
- Operational Value: Supports assay reproducibility through precise robotic manipulation of wind speed, odor gap, and visual field occlusion, reducing inter-experiment variability.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates de-risking of olfactory target mechanisms by isolating variable contributions (e.g., bilateral input symmetry) to navigation performance in a disease-relevant sensory context.
- Operational Value: Enables continuity from discovery to preclinical evaluation by providing a platform to test compensatory skills and adaptive learning in sensorimotor systems.
Pipeline & Workflow Integration
The method positions itself at the intersection of discovery biology and bioengineering, supporting early target validation through behavioral phenotyping and informing downstream assay development for olfactory-guided systems.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of odor-tracking mechanisms by quantifying insect-driven navigation under controlled sensory manipulations.
- Screening: Delivers standardized, quantitative behavioral outputs (e.g., path efficiency, localization latency) that enable comparative analysis across genetic or environmental conditions.
- Analytics: Provides measurable dependent variables such as rotational velocity, translational velocity, and plume-tracking accuracy for statistical comparison.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by modeling how sensory perturbations affect adaptive behavior, relevant to neuromodulator target evaluation.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for evaluating insect-inspired navigation algorithms across multiple olfactory targets or genetic models.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity in olfactory-guided behavior by enabling direct observation of insect sensorimotor responses to robotic perturbations.
- Operational Value: Enhances reproducibility through tethered preparation, closed-loop feedback, and modular manipulation of motor and sensory gains.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions in biomimetic target programs by validating behavioral fidelity before investing in synthetic sensor development.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of olfactory targets by providing early-phase behavioral de-risking data.
Implementation Considerations
- Requires expertise in insect handling, electrophysiology-adjacent preparation, and robotic feedback systems.
- Depends on instrumentation including air-supported ball treadmills, optical rotation sensors, and programmable microcontroller boards.
- Necessitates cross-team standardization between biology and engineering teams for consistent tethering, calibration, and data synchronization.
- Involves adaptation considerations when extending to other insect species with differing antennal morphology or walking dynamics.
- Includes practical limitations such as tether duration, fatigue effects, and environmental sensitivity to temperature and airflow stability.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
0:54
Tethering the Silkmoth and Setup of the Insect-controlled Robot
2:56
Odor Source Localization Experiment
5:00
Manipulation of the Insect-controlled Robot
6:07
Results: Insect-controlled Robots Successfully Localize Odor Cues and Bilateral Olfactory Input Facilitates Efficient Localization
7:51
Conclusion
