Name: 후각 검색을위한 자율 로봇에 곤충 Electroantennogram 센서를 사용하여 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-08-04T22:45:00.000+00:00
Duration: 7 min 23 s
Description: 배우세요 곤충 전체 표본에서 전기항각도(EAG)를 기록하고 자율 로봇에 바이오센서로 활용하는 방법을. 이 기술은 후각 내비게이션 메커니즘을 연구하는 데 안정적인 신호 기록을 제공합니다.

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이 작업은 ANR이 관리하는 국가 프로그램인 Investissements d'avenir(ANR-10-BINF-05 'Pherotaxis' 보조금)의 지원을 받았습니다.

<html> 프로토콜은 자신의 성 페로몬과 시판 로봇 (재료 표 참조)과 남성 나방 (Agrotis ipsilon)을 기반으로합니다. 그러나, 다른 곤충 종, 취기 제, 및 로봇에 약간의 수정과 함께 적응 될 수있다. 1. 곤충 <ol><li> 인공 사료에 23 ± 1 ° C에서 번데기까지 개별 플라스틱 컵에서 그들을 유지하고 이전 24 설명 된대로 50 ± 5 %의 상대 습도 : 후면 Agrotis ipsilon Hufnagel (Noctuidae 나비목)의 애벌레. </li><li> 섹스 번데기와 플라스틱 상자에있는 여성과는 별도로 성인 남성을 유지합니다. 그들에게 20 % 자당 용액에 무료로 액세스 할 수 있습니다. </li><li> 남성과 실험을 수행합니다. 남성 나방은 conspecific 여성에 의해 방출되는 성 페로몬에 매우 민감하다. A.에서 ipsilon, 주요 페로몬 성분, 시스-7-도데 세닐 아세테이트 (Z7-12 : OAC)는 안테나에서 가장 활성 화합물이다. </li></ol>itle &quot;&gt; 2. 전기 생리학 <ol><li> 그들은 (대표 결과를 참조) 긴 수명을 전시하기 때문에 전체 곤충 준비에서 EAG를 기록, (그림 1A) 아래에 설명 된대로. 본래대로 안테나는 안테나 절제술을 선호합니다. </li><li> 10 ~ 20 분 동안 집중 표백제 용액에 담가 두 개의 은색 선을 염소화 그 후 헹군다. 이 과정은 편광에서 전극을 방지 할 수 있습니다. 이것은 전극들 사이의 오프셋 전압은 증폭기에 의해 보정 될 너무 커지면 기준선은 실험 중에 감도 나마다 반복되어야한다. </li><li> 전극 풀러 화재 광택 모세 혈관에서 유리 전극을 확인합니다. 화재 연마 전극 염소화 실버 와이어를 긁적 방지 할 수 있습니다. </li><li> CO 2와 함께 남성 나방를 마취하고 머리 위로부터 돌출와 스티로폼 블록 내부에 배치합니다. </li><li> 목 주위 화가의 테이프로 곤충의 머리를 밧줄. </li><li> 목에 기준 전극 역할을하는 실버 와이어를 삽입합니다. </li><li> 실체 현미경, 팁과 자료에 대한 화가의 테이프의 얇은 스트립 안테나 중 하나를 고정시킨다. </li><li> 수술 가위로 안테나의 원심 2-3 세그먼트를 잘라. </li><li> 마이크로 매니퓰레이터와 안테나의 컷 팁 근처의 유리 전극을 배치합니다. </li><li> 안테나의 컷 팁보다 약간 큰 직경을 얻기 위해 집게로 유리 모세관의 사지를 잘라. </li><li> (mm 단위)로 유리 피펫을 채우기 6.4의 KCl, 340 포도당, 10 헤 페스, 12 MgCl2를, 1 염화칼슘, 염화나트륨 12, pH가 6.5. </li><li> 미세 조작기로 유리 모세관으로 안테나의 절단 끝을 삽입합니다. </li><li> 유리 모세관의 말단 규모로 기록 전극으로서은 와이어를 미끄러진다. </li></ol> 3. 하드웨어 인터페이스 <ol><li> 전체 준비를 탑재, 즉 곤충 - 전극 -micromanipulator에, 로봇 (도 1b)의 상단에 나사 결합 금속판. 아래에 설명 된대로, 로봇에 전극을 연결합니다. </li><li> 전작 25-26에 기초하여, 로봇의 확장 보드를위한 적절한 범위 (MΩ 몇개의 순서 1 MV) EAG 출력 전압을 조정하는 하드웨어 인터페이스를 설계한다. 이 보드는 0-5 V 아날로그 입력을 받아들이고 -200 MV 아래 음의 전압이 심각한 손상을 일으킬 수 있습니다. 독수리와 인터페이스를 디자인하는 3.2.4 단계 3.2.1를 따르십시오. <ol><li> 전압 레귤레이터 78L10 (도 2A-2C에서 ①)을 사용하여 +12 V 배터리로부터 ± 5V 전력 공급 장치를 설계한다. </li><li> 계측 증폭기 INA121 (③ 그림의 2A-2C)를 기반으로 headstage 프리 앰프 (10X)를 디자인합니다. </li><li> 쿼드을 기준으로 (첫 번째 순서는 0.1 Hz에서 필터, 두 번째 순서 로우 패스 500 Hz에서 필터, 노치 (50) Hz에서 필터를 하이 패스) 필터링 노이즈 2 단계 증폭기 (25X) 디자인 LT1079는 (영업 이익 - 앰프(315); 그림의 2A-2C). </li><li> (⑤ 그림의 2A-2C) 연산 증폭기 LT1079 및 다이오드 1N4148로 계산하는 신호 처리 단계를 디자인합니다. 총 이익은 250이며, EAG 출력은​​ 제로 2.5 V에서 존재와 범위를 0 ~ 5 V에 </li></ol></li><li> 차동 EAG 입력 (② 그림의 2A-2C)에 전극을 연결합니다. 긍정적 인 EAGs를 얻기 위해 INA121의 반전 입력에 기록 전극을 연결합니다. </li><li> 로봇의 확장 보드의 12 아날로그 입력에 EAG 출력 (⑥ 그림의 2A-2C)를 연결합니다. 각각의 입력은 순차적으로 밀리 초마다 판독 될 때, 샘플링 주파수는 1 kHz입니다. </li></ol> 4. 소프트웨어 인터페이스 메인 스레드는 그래픽 사용자 인터페이스 (GUI)가 포함되어, 신호 검출 및 로봇을 제어하기위한 다양한 기능을위한 방법. <ol><li> Qt는-C + + FO의 GUI (그림 2D)를 작성<html> 연구 데이터 시각화, 디지털 필터링 (20 Hz에서 5 번째 차 버터 워스 저역 통과 필터) 및 EAG에서 냄새 감지. 후자의 두 가지 방법으로 수행 할 수 있습니다 적절한 필터 (엔지니어링 접근 방법, 섹션 4.2)로 EAG을 deconvolving에 의해, 또는 A. 신속하고 신뢰할 수있는 페로몬 감지를 허용하는 신경 메커니즘을 모델링하여 하나 ipsilon 나방 (bioinspired 접근, 4.3 절). </li><li> 디컨 볼 루션 필터. EAG 잘 정적 비선형 구성 비선형 폭포 (27)에 의해 설명되어 있습니다 <img alt="식 (1)" fo:content-width="0.3in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq1.jpg" /> 지수 임펄스 함수와 1 차 차 저역 통과 필터 <img alt="식 2" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq2.jpg" /> 에 <img alt="식 3" fo:content-width="0.3in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq3.jpg" /> ,도 3a를 참조하십시오. 악취 농도 변동에 응답졸업식 4 &quot;FO : 콘텐츠 너비 =&quot;0.3in &quot;SRC =&quot;/ files/ftp_upload/51704/51704eq4.jpg &quot;/&gt;, EAG 출력은​​ 통합 회선으로 주어진다 <img alt="식 5" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq5.jpg" /> . 디콘 볼 루션은 단순히 시스템의 역변환에 의해 얻어진다; 즉 <img alt="식 (6)" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq6.jpg" /> 주파수 도메인에서. 그런 다음, <img alt="식 (7)" fo:content-width="1.2in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq7.jpg" /> 푸리에는 임펄스 응답의 변환으로 <img alt="식 8" fo:content-width="1.2in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq8.jpg" /> . 신호 검출의 경우, 4.2.3 단계 4.2.1를 따르십시오. <ol><li> 시간 영역에서 컨볼 루션과 같은 처리를 수행 <img alt="식 9" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq9.jpg" /> 과 <img alt="식 (10)" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq10.jpg" /> , 그림 (b). </lI&gt; <li> 비선형 성을 대략 <img alt="식 (11)" fo:content-width="0.3in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq11.jpg" /> 다항 함수로. 실제 간의 평균 제곱 오차를 최소화하기 위해 입력 - 출력 데이터 쌍에 일정한 다항식 파라미터 및 시간에 맞는 <img alt="식 4" fo:content-width="0.3in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq4.jpg" /> 및 재구성 <img alt="식 (12)" fo:content-width="0.3in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq12.jpg" /> 악취 농도. </li><li> 페로몬 안타를 감지 할 때마다 <img alt="식 (12)" fo:content-width="0.3in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq12.jpg" /> 사전 정의 된 임계 값을 초과한다. </li></ol></li><li> Neuromorphic 발견. 검출하는 또 다른 방법은 생물학을 흉내에 구성되어 있습니다. A.에서 ipsilon 나방은 안테나로부터 입력을 수신하는 중앙 신경 흥분 - 억제 (13)의 틀에 박힌 발사 패턴 페로몬에 반응한다. 호 지킨 - 헉슬리 티셔츠네 이온 전류를 타 입의 신경 세포 모델 <img alt="식 (13)" fo:content-width="0.3in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq13.jpg" /> (지연 정류기 K + 전류, 전압 - 문이 나 + 및 CA 2 + 전류, 현재 칼슘 2 +에 의존하는 K +가 작은 전도) 이전에 관찰 된 생리적 반응 (13)을 재현하기 위해 개발되었다. 신호 검출의 경우, 4.3.3 단계 4.3.1를 따르십시오. <ol><li> 미분 방정식으로 신경 세포 모델을 구현합니다. 입력 전류로서 EAG 신호를 사용 <img alt="식 (14)" fo:content-width="1.2in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq14.jpg" /> 막전위의 진화 <img alt="식 (15)" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq15.jpg" /> . 멤브레인 커패시턴스 C = 22.9 PF와 관련하여 누설 전류를 사용 <img alt="식 (16)" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq16.jpg" /> 전도성 G의 L = 0.011161 μS와 함께반전 가능성 E의 L = -61.4 MV. 이온 전류에 의해 설명되어 있습니다 <img alt="식 (17)" fo:content-width="1.2in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq17.jpg" /> 와 <img alt="식 (18)" fo:content-width="2in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq18.jpg" /> 위치로 <img alt="식 (19)" fo:content-width="1.2in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq19.jpg" /> V.의 비선형 함수는 자세한 내용은 이전 작업 13를 참조합니다. </li><li> 제 4 차 Runge - 쿠타 방법으로 미분 방정식 및 시간 단계를 통합하여 레네 실시간으로 신경 세포 모델을 시뮬레이션 <img alt="식 (20)" fo:content-width="0.1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq20.jpg" /> = 0.01 밀리 초. 스파이크 테스트 V (t의 F)&gt; 0 MV와 V (t f를 실행 - <img alt="식 (20)" fo:content-width="0.1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq20.jpg" /> ) &lt;스파이크 시간을 얻기 위해 온라인과 간격 interspike 0 MV. </li><li> 검출페로몬 히트 여자의 버스트 (연속 3 interspike 간격 &lt;70 밀리 초)을 (간격 ≥ 350 밀리 초 interspike) 억제 다음에 할 때마다이 그림 3C를 참조하십시오. </li></ol></li></ol>

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거의 20 년 전, 간 자키와 그의 동료들은 후각 로봇 29-30 EAGs을 사용하는 아이디어를 개척했다. 그들의 기술은 원래 절제된 안테나 기반으로했다. 여기서, 우리는 제제의 감도와 수명을 향상시키기 위해 본래 안테나에서 기록. 다른 연구 31 ~ 32도 고립 된 안테나를 통해 전신 준비의 우수성을 알아 차렸다. 우리의 로봇 실험에서, 우리는 하루 만에 안정 녹음을 경험했다. 반면, EAGs는 2 시간의 수명 (그림 5)이 고립 된 안테나에 기록. 우리의 EAG-로봇 플랫폼은 주로 곤충 13 후각 코딩 및 검색 전략에 대한 생물학적 가설을 테스트하기 위해 개발되었다. 곤충 안테나로부터 입력을 수신하는 중앙 뉴런과 유사하게, 우리는 로봇의 실제 방 안테나 뉴런 모델을 연결하고 그 소성 패턴에 기초 페로몬 검출을 수행. 검출과 비 검출 사건이 있었다다음 페로몬의 소스를 향해 로봇을 구동하는 데 사용. 여기서 고려 반응 검색 전략은 성 페로몬에 매료 남성 나방의 행동 패턴에 의해 영감을했다. 그것은 2m의 소스에서 낮은 방출 원 상대적으로 많은 검색 공간 (초기 거리 (이전 작업 (24) 10 ㎎에 비해 우리의 경우 10 μg의 페로몬 용량)의 현지화를 허용, 실험실 조건 (그림 6)에서 잘 수행 이전의 실험 20 ~ 21)에서 10cm 대. 이 로봇 실험은 곤충 안테나가 로봇 후각 검색에 적합한 것을 보여주는 개념의 증거로 간주되어야한다. 곤충 안테나는 유독 가스, 마약 및 폭발물 9-11에 반응하는 것으로 알려져 있지만, 몇 가지 확장은 실제 응용에 대처하기 위해 필요합니다. 첫째,보다 정교한 검색 방법 34-36, 10m 이상의 거리에서의 재 취득 할 때 더 효율적일 수있다깃털은 매우 가능성이됩니다의. 둘째, 관심의 취기를 검출하기 위해 바이오 전자 코 (14)의 구성에 다른 종으로부터 EAGs을 배합 할 필요가있다. 셋째, 같은 곤충의 두 개의 안테나에서 기록에 의해 얻어진 스테레오 감지 기능은 효율성 측면에서 도움이 증명할 수 있습니다. 병렬로 사용되는 두 개의 센서는 참으로 방향성을 증가시킬 수있다. 넷째, 집단 로봇 검색 37 검색 전략의 확장은이 나방의 경우 생물학적으로 관련이없는 경우에도 실제 적용이 고려되어야한다이다.

요즘, 개와 같은 동물은 자주로 인해 그들의 우수한 냄새 감지 기능 (16)의 화학 물질 누출, 마약 및 폭발물의 지역화를 포함하는 안전 및 보안 응용 프로그램에 사용됩니다. 그러나, 그들은 행동 변화를 보여 광범위한 작업 후 피곤하고, 성능이 17 시간이지나면서 감소로 자주 재교육이 필요합니다. 이러한 제한을 우회하는 방법 중 하나는 후각 로봇에 의해 훈련 된 개를 교체하는 것입니다. 그럼에도 불구하고, 향기와 냄새의 근원을 추적하는 로봇의 주요 과제입니다. 난류 환경에서 악취 깃털의 풍경은 매우 이질적이고 불안정하고, 산발적으로있는 패치 4로 구성되어 있습니다. 심지어 몇 미터 짧게 소스에서 적당한 거리에서 탐지가 산재되어 간헐적으로 만 신호를 제공한다. 또한, 탐지하는 동안 지역의 농도 구배는 일반적으로 소스를 향해 가리 키지 않습니다. 주어진 디스크정보 및 제한 지역 정보의 연속 형 흐름이 때 탐지는 소스쪽으로 로봇을 탐색하는 방법을 만들어? 이곳은 그런 남성 나방과 같은 곤충이 성공적으로 긴 거리 (수백 미터)을 통해 자신의 짝을 찾기 위해 화학 통신을 사용하는 것으로 알려져있다. 이렇게하려면, 그들은 틀에 박힌 행동 18-20을 채택 : 그들은 냄새 패치를 감지에 맞바람 급증과 냄새 정보가 사라지는 경우 주조라는 ​​확장 된 검색을 수행합니다. 이 서지 캐스팅 전략은 순수하게 반응입니다, 즉, 작업이 완전히 현재의 인식 (검출과 비 검출 이벤트)에 의해 결정된다. 악취 패치의 검출이 인공 가스 센서의 느려짐에 의해 방해되므로 아무런 후각 로봇의 구현은 과거에 성공을 제한했다. 그들은 일반적으로 필터링되도록 후각 로봇의 대부분에서 사용되는 금속 - 산화물 센서는 몇십 초의 응답 및 복구 시간을 가질격동의 깃털 (21)에 발생하는 농도의 변동이 있습니다. 대조적으로, 곤충 chemoreceptors의 응답 시간은 예를 들면, 곤충 electroantennograms (EAGs)의 상승 시간은 50 미만 22 밀리 초이고, 훨씬 짧다. 결과적으로, 곤충 EAGs를 사용하여, 악취 펄스는 몇개 헤르츠 (23)의 주파수에서 해결된다. 이 속성은 천연 깃털의 냄새 필라멘트의 검출을위한 EAG 센서에 적합하다. 우리는 여기에 서지를 사용하여 효율적으로 후각 검색을 허용 로봇에 곤충 EAGs를 포함하고 전략을 캐스팅하기위한 프로토콜을 설명합니다.

<table><tbody><tr><td>Agrotis ipsilon</td><td>PISC http://www-physiologie-insecte.versailles.inra.fr/indexenglish.php</td><td></td><td>나방</td></tr><tr><td>로봇 Khepera III</td><td>K-team www.k-team.com</td><td></td><td>Khe3Base + KorBotLE + KorWifi</td></tr><tr><td>KoreIOLE</td><td>K-team</td><td></td><td>입력/출력 확장 보드</td></tr><tr><td>EAG-로봇 인터페이스</td><td>LORIA www.loria.fr</td><td></td><td>맞춤형 하드웨어 및 소프트웨어</td></tr><tr><td>Sirene</td><td>LORIA&nbsp;</td><td></td><td>신경 시뮬레이터 sirene.gforge.inria.fr</td></tr><tr><td>Eagle</td><td>CadSoft www.cadsoftusa.com</td><td></td><td>PCB 설계 소프트웨어</td></tr><tr><td>Micromanipulator</td><td>Narishige / Bio-logic</td><td>UN-3C</td><td></td></tr><tr><td>자석 베이스</td><td>Narishige/ Bio-logic</td><td>USM-6</td><td></td></tr><tr><td>Adapter</td><td>Narishige/ Biologic</td><td>UX-6-6</td><td></td></tr><tr><td>Rotule</td><td>Narishige/ Bio-logic</td><td>UPN-B</td><td></td></tr><tr><td>마이크로 가위</td><td>MORIA / Phymep</td><td>15371-92</td><td></td></tr><tr><td>스테레오 현미경 Zeiss St&eacute; mi 2000</td><td>Fisher Scientific</td><td>B19961</td><td></td></tr><tr><td>광원 20 W KL200</td><td>Fisher Scientific</td><td>W41745</td><td></td></tr><tr><td>Narishige PC-10 Na PC-1</td><td>Narishige</td><td>Narishige PC-10</td><td></td></tr><tr><td>Capillaries Na PC-1</td><td>Fisher Scientific</td><td>C01065</td><td></td></tr><tr><td>페로몬 시스-7-도데세닐 아세테이트(Z7-12:OAc)</td><td>시그마-알드리치</td><td>259829</td><td></td></tr><tr><td>3 피펫 팩 : 2-20 &micro; l/ 50-200 &마이크로; l/ 100-1,000 &마이크로; l</td><td>Eppendorf</td><td>4910000514</td><td>페로몬 희석 및 종이 필터에 증착</td></tr><tr><td>가스 센서 TGS2620&nbsp;</td><td>Figaro www.figarosensor.com</td><td></td><td>옵션, EAG</td></tr><tr><td>전극 풀러</td><td>Narishige와 비교&nbsp;</td><td>PC-10</td><td></td></tr></tbody></table>

후각 검색을위한 자율 로봇에 곤충 electroantennogram 센서를 사용하여

Using Insect Electroantennogram Sensors on Autonomous Robots for Olfactory Searches

곤충 음식에 대 한 먹이 찾아 돌아다 또는 동료 3에 대한 검색으로 지뢰 필드 2면 같은 문제에 유해 산업 시설 1 또는 폭발 흔적에 화학 물질 누출을 추적하도록 설계된 로봇 : 후각 검색은 난류 수송 4의 물리학에 의해 제한됩니다. 바람 부담 냄새의 농도 풍경 불연속 산발적있는 패치로 구성되어 있습니다. 후각 검색에 대한 전제 조건은 간헐적 냄새 패치가 감지되는 것입니다. 때문에 높은 속도와 감도를 5-6으로, 곤충의 후각 기관은 검출을위한 독특한 기회를 제공합니다. 곤충 안테나는 예를 들어, 인간과 관련된 성 페로몬 7뿐만 아니라 화학 물질, 암 세포 8 또는 독성 및 불법 물질 9-11에서 나오는 휘발성 화합물뿐만 아니라 검출하기 위해 과거에 사용되어왔다. 우리는 자율 로봇에 곤충 안테나를 사용하여 여기 프로토콜을 설명자신의 소스에 냄새 깃털을 추적하기위한 개념 증명을 제시 거라고. 후각 뉴런의 글로벌 응답 electroantennograms (EAGs)의 형태로 현장에 기록됩니다. 전체 곤충의 준비를 기반으로 우리의 실험 설계는 작업 일 이내에 안정된 레코딩을 할 수 있습니다. 비교, 절제 안테나에 EAGs는 2 시간의 수명이있다. 커스텀 하드웨어 / 소프트웨어 인터페이스는 EAG 전극과 로봇 사이에 개발되었다. 측정 시스템은 인공 화학 센서 (12)의 시간 단위를 초과하는 10 Hz의 개별 악취 패치를 해결한다. 후각 검색을위한 EAG 센서의 효율은 더 페로몬의 원천으로 로봇을 구동에서 보여줍니다. 실제 동물과 동일한 후각 자극과 센서를 사용하여, 우리의 로봇 플랫폼은 후각 코딩 및 검색 전략 (13)에 대한 생물학적 가설을 테스트하기위한 직접적인 수단을 제공합니다. 또한에 관심의 다른 냄새 물질을 검출 도움이 증명할 수 있습니다생 전자 코의 구성 (14)에 다른 곤충 종 EAGs을 결합 또는 곤충의 안테나 (15)를 모방 나노 가스 센서를 사용.

프로토콜은 먼저 직접 안테나에 부풀어 페로몬의 짧은 20 밀리 초 펄스 (용량 1 μg과 10 μg) 테스트했습니다 전술. 그림 4a는 페로몬 펄스에 대한 응답으로 EAGs을 보여줍니다. 단계 3.3에 기재된대로 기록 전극은, 상기 증폭기의 반전 입력에 연결되어 있기 때문에 이들은 긍정적이다. 파워 스펙트럼으로 나타낸 바와 같이, 측정 시스템은 10 Hz로 페로몬 펄스를 해결할 수있다. 비교를 위해, 우리는 또한 시판 가스 센서를 테스트했다. TGS2620는 용제 증기의 검출을 위해 제조 된 금속 산화물 센서이다. 센서는 에탄올에 대한 높은 감도를 제공하지만, (그림 (b)의 점선 곡선 참조) 농도의 변화를 수행 할 수 없습니다. 문제는 센서 하우징에서왔다. TGS2620은 방염 스테인리스 거즈가 캡으로 상용화된다. 실제로,이 소요하기 때문에 응답 시간이 느리다가제를 통해 확산하고, 금속 산화물 표면에 도달하는 가스에 대한 특정 시간. 기체가 캡 내부에 갇혀 때 센서 청소 시간이 걸리기 때문에 회복도 느리다. 따라서 우리는 캡을 제거하고이 수정 (그림 (b)의 일반 곡선 참조) 크게 역학을 개선. 아직도, EAG와 TGS2620 (1 Hz에서 대 10 Hz에서)의 계수 열이 있었다. 이 비교는 EAG 그럼에도 불구 질적이며 TGS2620는 동일한 조건에서 시험되지 않았다. 우리는 우리의 전체 곤충 준비 절제된 안테나 (N = 7 안테나)에 비해 (N = 12 나방)의 시간에 따른 안정성을 평가 하였다. EAG는 페로몬의 자극 (지속 시간 500 밀리 초, 용량 1 μg)에 대한 응답으로 주기적으로 기록되었다. (MV에서) 원시 EAGs은 (초기 값의 비율은 시간 t = 0에서 얻어진) 상대 EAGs로 변환되었다. 5는 우리의 모든 곤충 준비의 아주 좋은 안정성을 그림작업 일 이내에 aration. 신호가 1.5 시간 후 초기 값의 절반으로 떨어질 수 있도록 반면, EAGs 빠르게 시간이 지남에 고립 된 안테나의 감소를 기록했다. 이 시간 의존성은 물론 2 시간의 수명이 지수 붕괴에 의해 설명되어 있습니다. 반응성 검색 전략 (그림 6A)를 사용하여 마지막으로, 우리는 냄새 소스 (OAC 페로몬 화합물 Z7-12)를 검색하는 EAG 로봇 플랫폼 종속적 인의 능력을 시험했다. 검색 전략은 풍상 서지보기 페로몬 탐지가 (28)의 부재에 나선형 주물로 검출 될 때마다 결합한다. 단계 8.6에 기재된대로 페로몬의 존재는, neuromorphic 검출기 EAG에서 검출된다. 검색 과정에서 기록 EAG의 두 가지 예는 그림 (b)에 표시됩니다. 냄새 소스없이, EAG는 거의 또는 전혀 탐지와 (즉, 2.5 V)는 0 주위에 남아있다. 로봇은 나선형 캐스팅을 수행하고, 일반적으로 검색 공간 BEF 잎광석이 대상 위치에 도달 (시험의 92 %에서, n = 26 시험,도 6c를 오른쪽). 냄새 소스 (왼쪽 그림 6C)으로, EAG는 침묵의 기간 (없음 탐지)와 얽혀 활동 (탐지)의 파열을 제공합니다. 나선형 주조는 주로 기둥 형상 (그림 6C가, 빨간 선 왼쪽)에서 발생하고 냄새가 손실 될 때 기둥의 중심선을 재배치하기위한 효율적인 전략이 될 것으로 보인다. 이 상태에서, 소스는 일반적으로 (성공률 = 96 %, N = 44 실험) 발견된다. <img alt="그림 1" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51704/51704fig1highres.jpg" width="500" /> 그림 1. 전체 - 곤충 EAG 준비와 로봇 설치.) electroantennogram (EAG)는 전체 곤충 준비 (자세한 내용은 텍스트를 참조). B)에서 기록 된 혼합물은 약탈에 장착OT는. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51704/51704fig1highres.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 2" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51704/51704fig2highres.jpg" width="500" /> 그림 2. 하드웨어 - 소프트웨어 인터페이스. 하드웨어 A) 이글 회로도. 이 회로는 여섯 섹션 (자세한 내용은 텍스트를 참조)로 구성되어 있습니다. 그것은 수 있도록 필터링 (주파수 대역 0.1 ~ 500 Hz에서 50 Hz에서 노치), 증폭 (총 이득 250X) 및 범위 0-5 V. B의 신호 컨디셔닝) (위쪽이 빨간색과 구리의 선과 이글 레이아웃 개별 요소 데이터 시각화 (빨간색 추적 = EAG 입력, 녹색 추적 용 Qt-C + +로 작성. D) 그래픽 사용자 인터페이스 (GUI)를 표시하는 파란색 아래)과 녹색 구멍 (). C) 인쇄 회로 기판 (PCB)= 신경 세포 모델의 출력), 필터 설계 및 신호 감지. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51704/51704fig2highres.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 3" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51704/51704fig3highres.jpg" width="500" /> EAG에서 그림 3. 신호 검출. A) Electroantennogram (EAG) 모델. EAG는 지수 충격 기능 1 번째 순서 로우 패스 필터 다음에 정적 비선형 구성 비선형 폭포 (27)에 의해 모델링 <img alt="식 (21)" fo:content-width=".2in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq21.jpg" /> . EAG 출력과 컨볼 루션 적분에 의해 주어진다 <img alt="식 (22)" fo:content-width="2in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq22.jpg" /> . B) 엔지니어링 접근 방법을. 디컨 볼 루션 filt을어 기록 <img alt="식 (23)" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq23.jpg" /> 과 <img alt="식 (24)" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq24.jpg" /> , 자세한 내용은 텍스트를 참조하십시오. 냄새의 만남 (히트)가 될 때마다 감지 <img alt="식 (12)" src="/files/ftp_upload/51704/51704eq12.jpg" /> 사전 정의 된 임계 값. C) 바이오 영감 접근을 초과합니다. 다섯 내부 전류 (누설, K +, 나 +, 칼슘 2 +와 SK)과 호 지킨 - 헉슬리 형 신경 세포 모델은 여기 - 억제 (EI)의 관찰 발사 패턴을 재현하는 데 사용되는 실험적으로 13 관찰했다. 여기의 버스트가 소성 활성 저해 하였다 때마다 입력 전류와 히트가 검출 될 때 신호 검출의 경우, EAG 신호가 사용된다. <img alt="그림 4" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51704/51704fig4highres.jpg" width="500" /> &lt;<html> BR /&gt; 그림 4. EAG 응답 시간. A) EAG의 상이한 레이트 (1, 2, 4, 6, 8, 10 펄스 / 초)에서 배달 된 20 밀리 페로몬 펄스 (용량 1 μg 및 10 μg)에 응답하여 레코딩. 정규화 EAG 파워 스펙트럼은 1과 10 Hz에서 (용량 1 μg과 10 μg)에 펄스 자극에 대해 표시됩니다. EAG는 에탄올에 대한 응답 () 농도 변동에 가스 센서 TGS2620에서 10 Hz에서. B) 녹음 개별 펄스를 해결합니다. 점선과 무지 곡선과 및 캡없이 센서 대응되어 각각. 캡 센서는 수십 초의 응답 시간을 가지고 있으며, 따라서 가스 농도의 변동을 따른다 없다. 모자없이 TGS2620은 1 Hz에서 최대 개별 변동을 해결합니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51704/51704fig4highres.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> 항상 &quot;&gt; <img alt="그림 5" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51704/51704fig5highres.jpg" width="500" /> 그림 5. EAG 안정성 (절제 안테나 대 전체 곤충 준비). EAG는 절제된 안테나 (N = 7 안테나) 3.2 시간 동안 전체 곤충 준비 (N = 12 나방)와 매 20 분 8 시간 동안 매 시간을 기록 하였다. 그림은 상대 EAGs (시간 t = 0에서 얻어진 초기 값의 백분율)를 보여줍니다. 절제된 안테나의 시간 의존성은 물론 2 시간 (1.5 시간의 반감기)의 수명이 지수 붕괴에 적합. <img alt="그림 6" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51704/51704fig6highres.jpg" width="500" /> 그림 6. 로봇 실험.) 서지 캐스팅 전략에 맞바람 서지 결합그것의 부재에 나선 주조와 냄새의 존재 로봇이 냄새없이 (N (N = 44 시험) 냄새와 함께)로하고, 냄새없이 (. C) 로봇의 궤적을 이동하고있는 동안 검색 과정에서 기록 된 28. B) 일반적인 EAG = 26 시험). 빨간색 점선은 모두 탐지의 90 %가 시험 중 발생한 기둥의 윤곽을 나타냅니다. 실험 조건 : 검색 공간 = 4 MX 2.5 m, 로봇의 속도 = 5.6 cm / 초, 대상 페로몬 = 10 μg 종이 필터에 부착하고 매 2 시험을 대체 대상에서 로봇의 초기 위치 = 2m, 풍속 = 0.9 ± 대상 위치에서 0.2 m / 초. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51704/51704fig6highres.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>

우리는 자율 로봇에서 EAG(electroantennogram) 형태로 곤충 안테나를 사용하기 위한 프로토콜을 설명합니다. 당사의 실험적인 설계로 하루 이내에 안정적인 녹음이 가능하며 최대 10Hz까지 개별 냄새 패치를 해결할 수 있습니다. 후각 검색을위한 EAG 센서의 효율성은 로봇을 냄새 소스로 운전하는 것으로 입증됩니다.

후각 검색을위한 자율 로봇에 곤충 Electroantennogram 센서를 사용하여

Robots designed to track chemical leaks in hazardous industrial facilities1 or explosive traces in landmine fields2 face the same problem as insects ...

이 실험 절차의 전체적인 목표는 곤충 전신 표본으로부터 전위도(electrograms) 또는 뇌파(EEGs)를 기록하고, 곤충의 촉각을 후각 로봇의 바이오센서로 사용하는 것입니다. 이를 위해 먼저 스티로폼 블록에 동물을 고정합니다. 두 번째 단계로 두 개의 EAG 전극과 참조 전극을 곤충의 목 부분에 배치하고, 기록용 피펫을 촉각 끝에 배치합니다.다음으로, 전극을 적절한 신호 증폭 및 필터링 기능이 있는 전기생리학 보드에 연결합니다. 마지막 단계는 EAG 표본을 이동식 로봇에 장착하는 것입니다. 최종적으로, 실제 동물과 동일한 센서를 사용하여 냄새원을 향한 후각 항법 결과를 얻을 수 있습니다.이 로봇 플랫폼은 곤충의 후각 코팅 및 후각 항법에 관한 가설을 테스트하기 위한 직접적인 수단을 제공합니다. 오늘 소개할 기술이 안테나 전위(antenna E) 절제 기반의 기존 방법과 비교하여 갖는 장점은 더 오랜 시간 동안 안정적인 기록이 가능하다는 점입니다. 전체 곤충 표본에서 EAG를 기록하려면, 먼저 두 개의 은선을 고농도 표백액에 10분에서 20분 동안 담가 염소 처리한 후 헹굽니다.이 과정은 전극의 분극을 방지합니다. 화염 연마된 모세관으로 유리 전극을 제작하며, 화염 연마는 전극의 염화 은선이 긁히는 것을 방지합니다. 다음으로, 수컷 나방을 이산화 탄소로 마취시킨 후 머리가 위쪽으로 돌출되게 하여 스티로폼 블록 안에 배치하고, 목 주위를 마스킹 테이프로 고정하여 곤충의 머리를 결속시킨 뒤 참조 전극 역할을 하는 은선을 목 부분에 삽입합니다. 실체 현미경 하에서, 안테나의 끝부분과 기저부를 얇은 마스킹 테이프로 고정하여 안테나 중 하나를 움직이지 않게 합니다.수술용 가위로 더듬이의 말단 2~3마디를 절단합니다. 그런 다음 마이크로 매니퓰레이터를 사용하여 유리 전극을 더듬이의 절단된 끝부분 근처에 배치합니다. 핀셋으로 유리 모세관의 끝부분을 잘라 더듬이의 절단된 끝부분보다 약간 더 큰 직경이 되도록 만듭니다.유리 피펫에 완충액을 채웁니다. 그런 다음 마이크로 매니퓰레이터를 사용하여 절단된 촉 끝부분을 유리 모세관 안에 삽입합니다. 마지막으로, 기록 전극 역할을 하는 은선을 유리 모세관의 가장 넓은 끝부분으로 밀어 넣어 전체 준비물을 고정합니다.그것은 로봇 상단에 나사로 고정된 금속판 위의 곤충 전극과 마이크로 매니퓰레이터입니다. 텍스트 프로토콜에 기술된 바와 같이 EAG 출력 전압을 로봇 확장 보드에 적합한 범위로 조정하기 위한 하드웨어 인터페이스를 설계하십시오. 여기에는 고입력 임피던스 증폭기, 저역 및 고역 통과 필터, 그리고 2단 증폭기가 간략하게 포함됩니다.다음으로, 전극을 차동 EAG 입력단에 연결합니다. 양의 EEG를 얻기 위해 기록 전극을 전치 증폭기의 반전 입력단에 연결하십시오. 그래픽 사용자 인터페이스와 신호 검출 및 로봇 제어를 위한 다양한 기능을 구현하기 위해 맞춤형 C++ 소프트웨어가 개발되었습니다.빠르고 신뢰성 있는 페로몬 검출을 가능하게 하는 신경 메커니즘을 모델링함으로써 신호 검출을 수행할 수 있습니다. 생물학적 기전을 모방한 방법에서, 안테나로부터 입력을 받는 중앙 뉴런은 흥분과 억제의 정형화된 발화 패턴으로 페로몬에 반응합니다. 신호 검출을 구현하기 위해, 텍스트 프로토콜에 제시된 미분 방정식으로 뉴런 모델을 구현하십시오. 세 번의 연속적인 스파이크 간 간격으로 정의되는 흥분 버스트가 발생할 때마다 페로몬 히트를 검출하십시오.70 밀리초보다 짧은 간격 이후에는 350 밀리초 이상의 스파이크 간격으로 정의되는 억제가 뒤따릅니다. 페로몬 펄스에 대한 반응으로 나타난 EEG는 측정 시스템이 최대 10 헤르츠까지의 페로몬 펄스를 분해할 수 있음을 보여줍니다. 곤충 표본 전체의 시간에 따른 안정성을 테스트하기 위해 페로몬 자극에 대한 EAG를 주기적으로 기록하였습니다.절단된 안테나와 비교했을 때, 곤충 전체 표본은 하루 작업 시간 내에 우수한 안정성을 보입니다. 반면, 분리된 안테나에서 기록된 EEG는 시간이 지남에 따라 빠르게 감소하여, 단 1.5시간 만에 신호가 초기 값의 절반으로 떨어집니다. 이러한 시간 의존성은 수명이 2시간인 지수 함수적 감쇠로 설명됩니다.마지막으로, 반응형 탐색 전략을 사용하여 냄새원을 찾는 EAG 로봇 플랫폼의 능력을 테스트하였습니다. 이 탐색 전략은 페로몬이 검출될 때마다 바람을 거슬러 올라가는 업윈드 서지(upwind surge)와 나선형 캐스팅(spiral casting)을 결합한 방식입니다. 냄새원이 없어 검출이 이루어지지 않는 경우, EAG 값은 검출 횟수가 매우 적거나 거의 없어 0 부근에 머물며, 로봇은 나선형 캐스팅을 수행하고 일반적으로 목표 지점에 도달하기 전에 탐색 영역을 벗어납니다.반대로, 냄새원과 함께 있을 때 EAG는 검출로 인한 활동의 폭발적 증가와 미검출로 인한 침묵 기간이 교차하여 나타납니다. 나선형 캐스팅은 주로 플룸의 윤곽선에서 발생하며, 냄새를 놓쳤을 때 플룸의 중심선을 다시 찾는 효율적인 전략으로 보입니다. 이 영상을 시청한 후에는 곤충의 벽면 표본 준비물로부터 전자 텔레그램을 기록하는 방법과 후각 로봇에 곤충 더듬이를 사용하는 방법에 대해 충분히 이해하게 될 것입니다.

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Research

연구

JoVE Journal

Neuroscience

신경과학

곤충 후각 시스템은 electroantennograms (EAG)와 안테나에 위치한 모든 odorant 수용체 뉴런 (ORNs)에서 개별 안에 보관되어과는 반응을 표현하는 아르 단일 sensillum 레코딩 (SSR)의 형태로 기록 odorant 유발 반응에 대한 독특한 기회를 제공 각각 sensilla.

모쓰 강한 시스템에서 Electrophysiological 측정

후각 신호는 곤충의 여러 가지 행동을 중재하고, 휘발성 화합물의 수백 수십 구성 종종 복합 혼합물이다. 곤충 antennal 엽의 멀티 채널 녹음과 가스 크로마토 그래피를 사용하여, 우리는 bioactive 화합물의 식별하는 방법을 설명합니다.

곤충 Antennal 엽에 가스 크로마토 그래피 - 멀티 유닛 레코딩 (GCMR)를 사용하여 강한 휘발성 물질의 식별

우리는 invertebrate 후각 경로의 처음 세 단계에서 냄새 evoked 응답을 특징하는 세포 다중 단위 기록 기술의 변화를 보여줍니다. 이 기술은 쉽게뿐만 아니라 다른 신경 시스템에서 앙상블 활동을 검토하도록 구성 할 수 있습니다.

메뚜기에 신경 활동을 특성화하기 위해 다중 단위 기록 방법 (<em&gt; Schistocerca 아메리카나</em&gt;) 강한 회로

빈대는 더듬이 후각 감각에 있는 후각 수용체 뉴런에 의존하여 환경의 기호화학 물질을 감지합니다. 단일 센실럼 기록을 활용하여 기호화학 물질에 대한 빈대 반응을 평가하고 관련된 코딩 프로세스를 탐구하는 방법을 보여줍니다.

Semiochemicals에 침대 버그의 후각 신경 세포 응답을 감지하기 위해 단일 ​​Sensillum 기록을 사용하여

냄새 소스 지역화하는 능력 벌레의 생존에 필요한 인공 냄새 추적에 적용될 것으로 기대된다. 곤충 제어 로봇은 실제 silkmoth에 의해 구동 로봇 플랫폼을 통해 곤충의 냄새 추적 능력을 평가하기 위해 우리가 할 수있다.

곤충 제어 로봇 : 이동 로봇 플랫폼은 곤충의 냄새 추적 능력을 평가하는

이 논문은 digoxigenin (DIG) 표지 또는 바이오틴 표지 프로브를 사용하는 곤충 안테나에서 특히 낮은 수준으로 발현 된 Odorant Receptor (OR) 유전자 및 기타 유전자에 대해 상세하고 매우 효과적인 RNA in situ hybridization 프로토콜을 설명합니다.

RNA에 의한 Locust Antenna 내의 악취 수용체 유전자의 국산화<em&gt; 현장에서</em&gt; 하이브리드 화

이 프로토콜의 전반적인 목표는 장쇄 사상 페로몬에 반응하는 Drosophila 후각 수용체 뉴런으로부터 단일 감각 기록을위한 낮은 휘발성의 냄새 물질을 제시하는 방법을 입증하는 것입니다.

에서 전기 생리 학적 기록<em&gt; Drosophila</em&gt; 낮은 휘발성의 냄새에 반응하는 Trichoid Sensilla

이 프로토콜 기존의 컴퓨터를 사용 하 여 기존의 웹 카메라 비디오에서 곤충 안테나 및 코 위치의 프레임별으로 추적을 위한 새로운 소프트웨어, SwarmSight, 사용 하기 위한 단계를 설명 합니다. 무료, 오픈-소스 소프트웨어 프레임 약 120 배를 인간 보다 더 빨리 처리 하 고 이상의 인간의 정확도에서 수행 합니다.

SwarmSight: 곤충 안테나와 일반적인 준비와 기존 하드웨어를 사용 하 여 코 확장 반사의 실시간 추적

이 기사는 암컷과 수컷을 포함한 여러 속의 모기에서 성공적이고 저소음 근위전도를 위한 단계별 프로토콜을 자세히 설명합니다.

모기 전기 조영술에 대한 단계별 가이드

이 연구는 실크모스 안테나를 기반으로 하는 바이오 하이브리드 악취 감지 드론을 위한 실험 프로토콜을 소개합니다. 실크모스 안테나를 이용한 실험용 일란텐노그램 장치의 작동이 제시되고, 나선형 서지 알고리즘을 이용하여 악취 원 국소화를 위해 설계된 바이오 하이브리드 드론의 구조가 더해있다.

악취원 국산화용 실크모스 안테나를 이용한 일탄텐노그래피 기반 바이오 하이브리드 악취 감지 드론

배우세요 곤충 전체 표본에서 전기항각도(EAG)를 기록하고 자율 로봇에 바이오센서로 활용하는 방법을. 이 기술은 후각 내비게이션 메커니즘을 연구하는 데 안정적인 신호 기록을 제공합니다.

후각 검색을위한 자율 로봇에 곤충 Electroantennogram 센서를 사용하여

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