Name: 곤충 제어 로봇 : 이동 로봇 플랫폼은 곤충의 냄새 추적 능력을 평가하는 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-12-19T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min
Description: 학습하세요 누에나방을 이용한 이동 로봇 제어 방법으로 냄새 추적 능력을 평가하는 생체모방 내비게이션 기술입니다. 이 연구는 신경과학 및 로봇공학 분야에서 곤충의 감각-운동 관계를 이해하는 데 활용됩니다.

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정제된 봄비콜을 제공해 주신 마쓰야마 시게루에게 감사드립니다. 이 연구는 일본과학진흥회(Japan Society for the Promotion of Science) KAKENHI(보조금 번호 22700197 및 24650090)와 휴먼 프론티어 사이언스 프로그램(Human Frontier Science Program, HFSP)의 지원을 받았습니다.

1. 실험 동물 <ol><li> 자신의 우화까지 남성 silkmoths의 번데기 (B. 모리)를 유지하는 플라스틱 상자를 준비합니다. 넣어 종이 하단에 수건 상자 (그림 1A)의 내벽 주위에 종이 조각. 참고 : 우화 (그림 1A) 동안 날개를 확장하면서 성인 나방가 개최하는 종이의 조각이 필요합니다. </li><li> 넣어 남성 silkmoth (봄 빅스 MOR ⅰ) 상자에 번데기 및 16 시간에서 우화까지 인큐베이터에 보관 : 25 ° C에서 어두운주기 : 8 시간 빛. 참고 : 남성과 여성의 번데기는 복부 (그림 1B)에 성 표시에 의해 구별 될 수있다. </li><li> 우화 후 성인 남성 나방을 수집하고 새로운 상자로 이동합니다. </li><li> 8 시간 빛 : 16 시간에서 인큐베이터에서 성인 나방 유지 어두운주기 및 실험 전에 활동을 줄이기 위해 15 ° C까지 온도를 낮 춥니 다. </li></ol> 2. Silkmoth을 테 더링 <ol><li> 테 더링에 대한 첨부 파일의 제작 (그림 2A) 참고 : 첨부 파일의 끝에 얇은 플라스틱 시트의 스트립 구리 와이어로 구성된다. 이 (그림 2B)를 보행시 흉부의 지느러미 - 복부 운동을 보장합니다. <ol><li> 얇은 플라스틱 시트의 스트립을 2 × 40 mm 준비 (두께 : 0.1 mm)를 중간으로 접은. </li><li> 접착제와 구리 와이어의 끝 부분에 접힌 스트립을 부착합니다. </li><li> silkmoth의 흉부가 부착되어 접힌 스트립의 끝을 구부리십시오. </li></ol></li><li> 실험의 빛 기간 동안 (2-8일 세) 성인 나방을 사용합니다. 참고 : 페로몬에 대한 감도가 강하게 일 주기성 시계 (18)에 따라 달라집니다. B. 모리가 일주 엄하기 때문에, 실험은 점등 기간 동안 수행되어야한다. </li><li> 조심스럽게 DOR의 모든 비늘을 제거남자 이름 물티슈 (또는 면봉)의 조각을 사용하여 흉부 (mesonotum)와 mesonotum (그림 2C)의 표피를 노출합니다. </li><li> 첨부 파일에 플라스틱 스트립과 작은 일자 드라이버로 노출 된 mesonotum의 표면에 접착제를 붙여 접착제가 더 이상 끈적 때까지 5 ~ 10 분을 기다려야합니다. 참고 : 접착제가 날개 힌지 또는 앞날개의 tegulae (그림 2C)을 터치하지 않아야합니다. </li><li> 첨부 파일에 mesonotum을 결합. </li><li> 로봇의 조종석 내부를 배치하기 전에 닿는 나방을 유지합니다. 스탠드에 부착을 잡고 나방 휴식을 다리 아래에 종이를 넣어. </li></ol> 3. 곤충 제어 로봇 <ol><li> 이전 작품 16,17,19에 따라 곤충 제어 로봇의 하드웨어를 디자인합니다. 참고 : 곤충 제어 로봇 CAPTUR하는 광 마우스 센서가 공기 지원 디딜 방아로 구성E 곤충 운동, 처리 및 모터 제어, 2 개의 DC 브러시리스 모터에 대한 맞춤형 AVR 기반 마이크로 컨트롤러 보드 (도 3 및도 4). 로봇은 200 밀리 초를 지연 시간 이내에 96 % 이상의 정확도로 볼의 회전에 기초하여 실행할 수있다. 또한 페로몬 추적 동작 (16) 동안 silkmoth의 최대 전진 속도의 이동성 (24.8 mm / 초) 및 각속도 (96.3 ° / 초)을 보장한다. 온보드 나방 공에 부드럽게 걸어와 두 개의 안테나에 의해 냄새를 획득하는 디딜 방아 (그림 5A) 및 악취 전달 시스템 (그림 5B)의 공기 흐름 설계되었습니다. 트레드밀의 흡기 및 흐름 채널은 페로몬의 오염을 방지하기 위해 악취 전달 시스템들로부터 분리된다. </li><li> 이전 작품 16을 기반으로 내장 마이크로 컨트롤러 용 소프트웨어를 디자인합니다. 참고 : 내장 된 마이크로 컨트롤러 t를 계산그는 광학 센서로 측정 곤충 운동에서 로봇의 움직임 (회전, Δ는 X, 번역, Δ y를, 그림 6). (예 Δ의 L = 같은 Δ를 상기 이동 거리 (Δ의 L) 및 각 차륜 (오른쪽, Δ L R 왼쪽 Δ 리터 L)의 이동 거리에 기초하여 계산되며, 로봇의 단위 시간당 각 (Δθ)을 켜 D 바퀴 두 바퀴 (120mm) 사이의 거리입니다 Δ의 L의 R) / D 휠, - L의 L + Δ의 L의 R) / 2, Δθ = (Δ L의 L. Δ의 L L과 Δ L R 추가 Δ의 L의 L로 설명되어 있습니다 = Δ의 L의 X, L + Δ의 L, Y, L 및 Δ L의 R = Δ의 L의 X, R + Δ의 L y를, R, Δ의 L의 X, L &lt;/ 서브&gt; 및 Δ의 L의 X, R은 Δ X로 제어 좌우의 바퀴의 주행 거리 및 Δ의 L의 Y, L 및 Δ의 L의 예이고, R은 Δ y를 제어 것들이다. 이상적으로, Δ L의 X, L 및 Δ의 L의 X, R은 Δ의 L의 X, L = -Δ의 L의 X, R = G Δ의 × (D 휠 / D 공), 및 Δ의 L y를, L 및 Δ의 L (y)으로서 설명되어 있습니다 , R은 G 모터 이득이고, D 공 공 (50mm)의 직경 Δ의 L y를, L = Δ의 L y를, R = G Δ y를 설명한다. 실제로, 모터의 이득은 독립적으로 로봇 이동을 보정하도록 각 측면 (좌측 또는 우측 휠)에 의해 각각의 방향 (순방향 또는 역방향 회전)에 의해 설정된다. 독립적 인 이득은 상기 허용로봇의 선회 바이어스를 생성하는 비대칭 모터 회전 수의 설정 (단계 6.1 참조). </li><li> 흰색 발포 폴리스티렌 공의 표면 세척 (질량 : 약 2 g의 직경 : 50mm) 물을 가능한 후각이나 시각 신호를 제거 할 수 있습니다. 참고 : 새 공의 표면은 공을 다리의 그립을 보장 같은 P400 미세 그릿 샌드페이퍼, 함께 거칠게해야한다. </li><li> 디딜 방아 9 V에 공기를 공급하고, 볼 (그림 5A)를 수레 송풍 팬의 전원을 켭니다. 볼이 컵의 바닥으로부터 약 2mm 플로트 관찰한다. </li><li> 나사를 사용 나방과의 부착 구리 와이어를 연결 (도 3 인셋 참조) 로봇의 조종석 조명기한다 (단계 2 참조). 중간 다리의 위치가 공 (도 7a)의 중심에 있는지 확인합니다. </li><li> ㄴ 정상적으로 걸을 수 나방을 사용하려면 첨부 파일의 수직 위치를 조정모든. 이전과 나방 (그림 7B)를 부착 한 후 동일한 높이로 공을 보관하십시오. 참고 : 첨부 파일의 너무 낮은 위치 때문에의 수직 위치의 변화에 나방에 압력을 추가하고 너무 높은 위치가 불안정 걷고 센서의 고장이 발생하는 반면, 압력 (그림 7C)에 저항하는 뒤로 걷기를 이끌어 공 (그림 7D). 정상 보행 동작을 확인하려면, 단일 부풀어 페로몬 자극이 방에 걸어 트리거하는 데 사용됩니다 (페로몬의 자극에 대해 4 단계 참조). bombykol 이전 노출 silkmoths을 habituates 및 감도 (마츠야마와 자키, 게시되지 않은 데이터)를 감소하기 때문에 테스트 자극을 최소화해야합니다. </li></ol> 4. 냄새 자료 준비 참고 : 남성 B. 모리가 conspecific 여성 섹스 페로몬의 주요 요소에 민감한 (bombykol : (E, Z) -10,12가-hexadecadien -1- 올) <s&gt; 20입니다. bombykol와 실험 장비의 오염은 냄새 추적 행동을 이끌어와 나방의 응답에 영향을 미친다. <ol><li> 여과지 (약 10mm × 10mm)의 조각에 n- 헥산 (200 NG / μL)에 용해 bombykol 용액 10 μL 놓는다. 여과지 개당 bombykol의 양은 2000 NG이다. 참고 : 나방의 정상적인 보행 동작을 확인이 단계에서 페로몬 자극 카트리지를 준비하려면. 카트리지는 여과지의 한 조각 bombykol 2,000 NG 함유 유리 파스퇴르 피펫이다. 전구를 추진하는 것은 공기가 포함 bombykol을 내뿜. </li></ol> 5. 냄새 소스 현지화 실험 <ol><li> 0.7 m / 초로 설정하고 바람 속도, 인상 공기 형 풍동 (그림 8 1,800 × 900 × 300mm, L × W × H)의 팬의 전원을 켭니다. 온도가 20 ° C인지 확인합니다. </li><li> 냄새의 소스를 설정합니다 (P풍동 상류 bombykol 함유 여과지)의 IECE. 주 : 기둥의 폭은 TiCl4 (17, 19)를 사용하여 실험을하기 전에 확인한다. </li><li> 로봇의 마이크로 컨트롤러 보드의 전원을 켜고 블루투스를 통해 PC에 직렬 연결을 설정합니다. </li><li> PC와 로봇 사이의 인터페이스를 제공한다 &quot;생체 신호&quot;라는 사용자 지정 만든 자바 프로그램을 실행합니다. 주 : 메인 윈도우 로봇에 명령을 송신하기위한 버튼과, 파라미터를 설정하기 위해 입력 및 출력 직렬 통신, 작은 박스를 표시하기위한 텍스트 창. 후속 명령은 비디오 캡처를 제외하고,이 프로그램에 해당하는 버튼을 클릭하여 전송됩니다. </li><li> 지정된 COM 포트를 통해 로봇에 명령을 전송하여 연결을 확인하고 메시지가 로봇에 의해 반환되는 것을 확인하기 위해 &quot;장치에 대한&quot;버튼을 클릭합니다. </li><li> 은 &quot;메모를 클릭공예 지우기 &quot;버튼을 눌러 내장 플래시 메모리에 남아있는 이전의 운동 데이터를 삭제합니다. </li><li> 로봇에 대한 기본 모터 이익을 보내 &quot;drivemode1&quot;버튼을 클릭합니다. 주 : 모터 이득 곤충 식 이동 로봇의 운동 간의 시간 지연 조작이 단계 후 (단계 6.1 및 6.3,도 9 참조)에 적용된다. </li><li> 실험이 시작될 때까지 로봇을 고정하는 명령을 보낼 수있는 &quot;운전하지 않는다&quot;버튼을 클릭합니다. </li><li> 시작 위치 (냄새 소스에서 600mm 하류)에서 로봇을 넣고 모터 드라이버 보드의 스위치를 켭니다. </li><li> 비디오 캡처를 시작 캠코더의 녹화 버튼을 누릅니다. </li><li> 내장 플래시 메모리에 공 회전의 동시 녹음으로 로봇을 시작하는 시작 명령을 보낼 수있는 &quot;녹화 시작&quot;버튼을 클릭합니다. 로봇이 움직이기 시작하고 냄새 깃털을 추적 관찰. </li><li> 온 클릭&quot;REC 정지&quot;및 로봇 냄새 소스 편재하는 경우, 로봇의 이동 및 기록 모두 정지 명령을 보낼 버튼 &quot;을 구동하지 않는다.&quot; </li><li> 비디오 캡처를 중지하려면 캠코더의 녹화 버튼을 누릅니다. </li><li> 다운로드 직렬 연결을 통해 컴퓨터에 내장 된 플래시 메모리에서 운동 데이터를 기록했다. 프로그램을 닫습니다. </li></ol> 곤충 제어 로봇의 6 조작 주 : 각 조작의 타이밍은 그림 9에 표시됩니다. <ol><li> 모터 이익의 조작 주 :이 조작 로봇의 병진 및 회전 속도를 변경합니다. 비대칭 모터 이득 곤충 바이어스 (17)를 보상하는 방법을 조사하기 위해 사용될 수있는 전환의 바이어스를 생성한다. <ol><li> 편집 번째로 앞으로 각면 (17) (그림 6B)에 모터의 역 회전 회전 이익을 정의전자 구성 파일은 텍스트 편집기를 사용하여 &quot;param2.txt&quot;라는. </li><li> 소프트웨어 프로그램의 편집 된 구성 파일을 읽을 수있는 &quot;설정 PARAM2&quot;을 클릭합니다. 그런 다음, 로봇의 조작 이득을 보내 &quot;drivemode2&quot;을 클릭합니다. </li></ol></li><li> 모터 출력 반전 주 :이 조작 양자 후각 입력의 반전과 동일한 조건을 제공한다 (단계 6.4 참조), 양자 후각의 중요성을 조사하는데 사용될 수있다. 그러나, 모터의 출력의 반전은 온보드 나방 자려 시각적 움직임을 반전시킨다. 반전 자려 영상 입력의 영향은 후각 반전 입력 (19)과 비교하여 평가할 수있다. <ol><li> 각 모터 제어 케이블을 횡단하여 양자 모터 제어를 전환. </li></ol></li><li> 곤충 식 이동 로봇의 운동 간의 시간 지연 조작. 주 :이 조작을로봇 냄새 추적 감각 모터 처리에 소요되는 시간의 허용 기간의 조사를 할 수 있습니다. 마이크로 컨트롤러는 버퍼 메모리의 운동 데이터를 저장 한 후, 지정된 시간 지연 후 처리한다. 로봇이 200 밀리의 최대 내부 시간 지연이 있습니다; 따라서, 실제 시간 지연을 지정된 시간 지연 더하기 200 밀리 16,17 것으로 예상된다. <ol><li> 메인 윈도우의 작은 상자에 입력 (0-10)에서 숫자는 100 밀리 단계에서 0-1,000 밀리 초에서 시간 지연을 지정합니다. </li><li> 시간 지연을 적용하려면 &quot;설정 지연&quot;버튼을 클릭합니다. </li></ol></li><li> 후각 입력 조작. 주 :이 조작 양자 후각 입력의 중요성을 조사하는데 사용될 수있다. silkmoths의 서지 방향은 높은 농도의 측면 (22) 상에 편향된다. <ol><li> 흡입관 팁 사이의 간격을 변경하거나 변경하기 위해 자신의 위치를 ​​반전각각의 안테나에 의해 취득 된 악취 농도 차이. </li></ol></li><li> 영상 입력의 조작 주 :이 조작 냄새 추적에 대한 시각적 입력의 역할을 조사하는 것입니다. <ol><li> 각각 온보드 나방의 수평 및 수직 시야의 105 ° 및 90 ° 폐색 백서와 캐노피를 커버. </li></ol></li></ol>

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silkmoth 의해 로봇의 성공적인 제어하는 ​​가장 중요한 포인트는 방 공기지지 공 매끄럽게 걸어시키는하고 안정적 ​​공의 회전을 측정. 따라서, silkmoth을 테 더링하고 적절한 위치에서 공을 설치하면이 프로토콜의 중요한 단계입니다. 첨부 파일 또는 공 나방의 부적절한 위치에 나방의 부적절한 유착은 정상 보행 동작을 교란 및 / 또는 볼의 회전을 측정하는 광 센서의 고장 원인이 거기에 자연스러운 압력을 발생합니다. 폴리스티렌 볼을 거칠게하여 미끄러지는 방을 방지하는 것도 중요하다. 응답에 닿는 나방의 운동은 자극을 악취하고 이후 로봇의 움직임은 조심스럽게 냄새 추적 검사 (단계 3.6 참조)하기 전에 확인해야합니다. 그것은 거의 제공 트레드밀의 곡률을 감소하기 때문에 더 큰 공을 사용하면 좋다곤충의 다리에 대한 평면. 여기에서 사용 된 50 mm 직경 공 silkmoths 종래 디딜 설정에 사용 된 것과 비교하여 상대적으로 작은 (직경 : 75 mm) 24....

냄새 발생원을 찾을 수 있는 자율 주행 로봇은 사회의 안전과 보안에 중요할 수 있습니다. 재난 피해자, 공항의 약물 또는 폭발 물질, 환경의 위험 물질 유출 또는 누출을 감지하는 데 사용할 수 있습니다. 현재 우리는 이러한 작업을 위해 잘 훈련된 동물(예: 개)에 전적으로 의존하고 있으며, 로봇 냄새 소스 위치 파악은 이러한 동물의 작업량을 덜어줄 것으로 강력하게 기대되고 있습니다. 악취 발생원을 찾는 것은 로봇에게 어려운 작업인데, 그 이유는 부취 물질이 대기1에서 간헐적으로 분포하기 때문입니다. 따라서 냄새 농도 구배의 연속 샘플링이 항상 가능한 것은 아닙니다. 따라서 간헐적인 냄새 단서를 사용하는 검색 전략은 로봇 냄새 소스 위치 파악2-4를 달성하는 데 필요합니다.
냄새 소스 위치 파악은 유기체의 생존에 필수적이며 먹이 찾기, 짝짓기 파트너 및 산란 장소와 같은 작업을 포함합니다. 고르지 않게 분포된 냄새 물질을 추적하는 데 어려움을 극복하기 위해 유기체는 두 가지 기본 행동, 즉 냄새 수용 중 상류로 이동과 냄새 수용 중단 중 교차 흐름으로 구성된 다양한 행동 전략을 발전시켰습니다5,6. 이러한 반응 전략은 곤충에서 잘 문서화되었으며 바람의 방향 및 시야5-8과 같은 다른 양식과 결합되었습니다. 곤충 행동 모델은 또한 로봇 공학3,9-11에 유용한 예였으며, 행동 알고리즘 또는 신경 회로 모델은 냄새 소스 위치 파악 능력10,12-15의 평가를 위해 모바일 로봇에 구현됩니다. 생체 모방 관점에서 볼 때 이러한 "상향식" 접근 방식은 확실히 생체 모방 로봇을 개발하는 근본적인 방법입니다. 그러나 상향식 접근 방식은 생물학적 분석이 여전히 진행 중이고 곤충 행동 뒤에 있는 감각 운동 시스템의 모델링이 완료되지 않았기 때문에 유용한 검색 전략을 얻는 지름길이 아닙니다. 따라서 이러한 생물학적 시스템이 실제로 로봇 플랫폼의 컨트롤러로 어떻게 작동하는지는 아직 알 수 없습니다.
이 기사에서는 생물학적 시스템16,17에 의해 제어되는 냄새 추적 모바일 로봇을 개발하기 위한 간단한 "하향식" 접근 방식의 프로토콜을 보여줍니다. 이 로봇은 실제 곤충에 의해 제어되며 미래 곤충 모방 로봇의 원형으로 간주 될 수 있습니다. 로봇의 조종석에서는 밧줄로 묶인 성체 수컷 누에나방(Bombyx mori)이 공기 흡입관을 통해 각 안테나로 전달되는 암컷 성 페로몬에 반응하여 공기가 지지되는 공 위를 걸었습니다. 탑재된 나방의 보행으로 인한 공 회전은 광학 센서에 의해 측정되었으며 이륜 로봇의 움직임으로 변환되었습니다. 이 "하이브리드" 접근 방식의 장점은 실험자가 파일럿 곤충이 로봇과 실제 냄새 환경 사이의 폐쇄 루프에 있는 로봇 플랫폼에서 곤충 감각 운동 시스템이 어떻게 작동하는지 조사할 수 있다는 것입니다. 로봇 하드웨어의 조작은 폐쇄 루프를 변경합니다. 따라서 곤충 제어 로봇은 엔지니어와 생물학자 모두에게 유용한 플랫폼입니다. 엔지니어링에서 로봇은 로봇 작업에 대한 요구 사항을 충족하기 위해 생물학적 모델을 적용하는 첫 번째 단계를 나타냅니다. 생물학에서 로봇은 폐쇄 루프 하에서 감각 운동 제어를 연구하기 위한 실험 플랫폼입니다.

<table><tbody><tr><td>수컷 성인 누에나방(Bombyx mori)</td><td></td><td></td><td>알에서 기르거나 번데기로 구입합니다.</td></tr><tr><td>인큐베이터</td><td>Panasonic</td><td>MIR-254</td><td>번데기 또는 성인 누에나방을 238L의 일정한 온도에서 보관하십시오.</td></tr><tr><td>플라스틱 상자</td><td>Sunplatec</td><td>O-3</td><td>Store 번데기 또는 성인 누에나방, 299 &times; 224 &times; 62 mm L &times; W &타임스; 아.</td></tr><tr>부속용 직경 2mm의 <td>구리선</td><td></td><td></td><td>. 모든 단단한 막대는 누에나방을 묶기 위한 부착물을 만들기 위한 대안으로 사용할 수 있습니다.&nbsp;</td></tr><tr><td>플라스틱 시트</td><td>Kokuyo</td><td>VF-1420N</td><td>0.1mm 두께의 오버헤드 프로젝터 필름으로 판매됩니다. 부착물 끝에 사용하십시오.</td></tr><tr><td>집게</td><td>: 하나의</td><td>5SA</td>로 <td>흉부의 비늘을 제거합니다.</td></tr><tr><td>접착제</td><td>Konishi</td><td>G17</td><td>부착물에 누에나방을 접착합니다.</td></tr><tr><td>곤충 제어 로봇</td><td>맞춤형</td><td></td><td>베어링 공기 지지 트레드밀, 광학 센서, 맞춤형 AVR 기반 마이크로컨트롤러 보드 및 2개의 DC 브러시리스 모터. 그것은 8 &times에 의해 구동됩니다; AA 및 3 &times; 006P 배터리.</td></tr><tr><td>마이크로컨트롤러</td><td>아트멜(Atmel</td>) <td>ATMEGA8</td><td>곤충 조종 로봇의 구성 요소.</td></tr><tr><td>DC 블로워</td><td>Nidec</td><td>A34342-55</td><td>공기 지원 트레드밀에서 공을 띄우는 곤충 제어 로봇의 구성 요소.</td></tr><tr><td>DC 팬</td><td>Minebea</td><td>1606KL-04W-B50</td><td>냄새가 나는 공기를 흡입하기 위한 곤충 제어 로봇의 구성 요소입니다.</td></tr><tr><td>광마우스 센서</td><td>Agilent technologies</td><td>HDNS-2000</td><td>광마우스(M-GUWSRSV, Elecom, Japan)에서 얻은 곤충 제어 로봇의 구성 요소.</td></tr><tr><td>브러시리스 모터</td><td>Maxon</td><td>EC-45</td><td>바퀴를 구동하는 곤충 제어 로봇의 구성 요소입니다.</td></tr><tr><td>백색 폴리스티렌 볼</td><td></td><td></td><td>곤충 제어 로봇의 구성 요소. 직경 50mm, 질량 약 2g.</td></tr><tr><td>Bombykol : (E, Z) -10,12- 헥사 데카디엔 -1- 올</td><td>Shin-Etsu 화학</td><td></td><td>사용자 정의 합성.</td></tr><tr><td>n-헥산</td><td>Wako</td><td>085-00416</td><td>봄비콜용 용제.</td></tr><tr><td>풍동</td><td>사용자 정의</td><td></td><td>풀링 에어 유형, 크기 1,800 &times; 900 &times; 300 mm L &times; W &타임스; 아.</td></tr><tr><td>생체신호 프로그램</td><td>커스텀</td><td></td><td>블루투스를 통해 곤충 제어 로봇과 PC를 시리얼 통신하는 프로그램. 로봇을 시작/정지하기 위한 명령을 전송하거나 모터의 속성을 구성하는 데 사용됩니다.&nbsp;</td></tr><tr><td>캠코더</td><td>Sony</td><td>HDR-XR520V</td><td>로봇의 움직임을 캡처합니다.</td></tr></tbody></table>

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

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

로봇 악취원 위치 파악은 어려운 영역이었으며 악취 발생원을 찾는 것이 유기체 생존에 필수적인 작업이기 때문에 생물학적 지식이 기여할 것으로 기대되는 영역이었습니다. 곤충은 냄새 추적과 관련하여 잘 연구된 유기체이며, 곤충의 행동 전략은 평가를 위해 모바일 로봇에 적용되었습니다. 이 "상향식" 접근 방식은 생체 모방 로봇을 개발하는 근본적인 방법입니다. 그러나 생물학적 분석과 행동 메커니즘의 모델링은 여전히 진행 중입니다. 따라서 이러한 생물학적 시스템이 실제로 로봇 플랫폼의 컨트롤러로 어떻게 작동하는지는 아직 알 수 없습니다. 이 질문에 답하기 위해 우리는 수컷 성인 누에나방(Bombyx mori)이 냄새 자극에 반응하여 로봇 자동차를 운전하는 곤충 제어 로봇을 개발했습니다. 이것은 미래의 곤충 모방 로봇의 원형으로 간주 될 수 있습니다. 로봇의 조종석에서는 밧줄로 묶인 누에나방이 공기가 지지되는 공 위를 걸었고 광학 센서가 공의 회전을 측정했습니다. 이러한 회전은 이륜 로봇의 움직임으로 변환되었습니다. 이 "하이브리드" 접근 방식의 장점은 실험자가 로봇의 모든 매개변수를 조작할 수 있어 곤충의 냄새 추적 기능을 평가할 수 있고 로봇 냄새 추적에 유용한 제안을 제공할 수 있다는 것입니다. 또한, 이러한 조작은 파일럿 곤충의 감각-운동 관계를 변경하는 비침습적 방법이며 적응 행동을 이해하는 데 유용한 기술이 될 것입니다.

우리는 여기서 악취 소스의 성공적인 위치 파악에 필요한 제어 곤충 로봇의 기본 특성을 제시한다. 로봇과 silkmoths, 악취 전달 시스템의 효율성 및 정확성 양자 후각 시각적 입력의 의미의 비교 검사한다. 자유롭게 산책 나방과 곤충 제어 로봇 사이의 냄새 추적 행동의 비교는 그림 10A와 B에 표시됩니다. 같은 냄새 상황에서 도보 나방과 로봇 모두 100 %의 성공률 (, 로봇, N = 7 나방 7 시험 산책 나방, N = 10 나방 10 시험)을 얻었습니다. 로봇이 보행 나방에 비해 넓은 궤적을 나타내더라도, 보행 나방과 로봇 사이의 위치 파악의 시간에서 유의 한 차이 (P가 없었다2; 0.05, 윌 콕슨 순위 합 테스트; 나방, 중앙값 = 46....

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.

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

이 실험의 전반적인 목적은 모바일 로봇의 제어기로 사용된 곤충의 냄새 추적 능력을 평가하는 것입니다. 이 방법은 생체 모방 모바일 로봇 내비게이션에서 곤충을 어떻게 활용할 것인가와 같은 생의학 분야의 주요 과제들을 해결할 수 있습니다. 이 기술의 주요 장점은 곤충을 모바일 로봇의 제어기로 직접 사용하고, 냄새원을 찾는 능력을 평가할 수 있다는 점입니다.연구자가 로봇 조작을 통해 탑재된 곤충의 감각-운동 관계를 변경할 수 있으므로, 이 기술의 영향은 다른 행동 뒤에 숨겨진 생물학적 메커니즘에 대한 이해로까지 확장됩니다. 실험을 시작하기 위해, 먼저 2~8일 된 성체 누에나방을 선택하십시오. 젖은 티슈나 면봉을 사용하여 중흉배판의 모든 인편을 조심스럽게 제거하여 큐티클을 노출시킵니다.부착물 끝부분의 플라스틱 스트립에 접착제를 바릅니다. 그다지 날개 경첩(wing hinge)이나 앞날개 덮개(forewing tegulae)에 닿지 않도록 주의하면서, 노출된 중흉背판(mesonotum) 표면에 접착제를 바릅니다. 접착제의 끈적임이 없어질 때까지 5~10분 정도 기다립니다.나방의 중흉배판을 부착물에 접착합니다. 부착물을 거치대에 고정하여 나방이 묶여 있도록 유지합니다. 나방이 쉴 수 있도록 다리 아래에 종이 한 장을 배치합니다.후각적 또는 시각적 단서를 제거하기 위해 물로 흰색 발포 폴리스티렌 공의 표면을 세척하십시오. 그런 다음 트레드밀에 공기를 공급하는 팬을 켭니다. 공은 컵 바닥에서 약 2 mm 위에 떠 있어야 합니다.나사를 사용하여 나방 부착 장치의 구리선을 로봇 조종석의 고정 장치에 연결하십시오. 나방의 중간 다리 쌍이 공의 중심에 위치하도록 배치해야 합니다. 공의 높이를 일정하게 유지하면서, 나방이 공 위에서 정상적으로 걸을 수 있도록 부착 장치의 수직 위치를 조정하십시오.필요한 경우, 고정된 나방의 보행 행동을 확인하기 위해 성 페로몬 자극을 수행합니다. 고정된 나방의 보행 행동을 확인하는 것은 나방의 불규칙한 행동이나 광학 센서 판독 행동 시 나방의 수직 위치를 적절하게 설정하는 데 매우 중요합니다. 이 두 가지는 모두 결과적인 로봇의 움직임에 직접적인 영향을 미칩니다.흡입식 풍동의 송풍 장치를 켜고 풍속을 0.7 meters per second로 설정하십시오. 온도가 20 degrees Celsius 이상인지 확인하십시오. 메쉬 패널로부터 풍하측으로 25 centimeters 떨어진 횡풍 중심 위치에 취향원을 배치하십시오.로봇의 마이크로컨트롤러 보드 전원을 켜고 블루투스를 통해 컴퓨터와 시리얼 연결을 설정하십시오. 컴퓨터와 로봇 간의 BioSignal 프로그램 인터페이스를 실행하십시오. "장치 정보(about device)" 버튼을 클릭하여 지정된 COM 포트를 통해 로봇에 명령을 전송함으로써 연결 상태를 확인하고, 로봇으로부터 메시지가 반환되는지 확인하십시오.온보드 플래시 메모리에 저장된 이전의 모든 이동 데이터를 삭제하려면 "memory erase" 버튼을 클릭하십시오. 그 다음, "drivemode1" 버튼을 눌러 기본 모터 게인 값을 로봇으로 전송하십시오. 실험이 시작될 때까지 로봇을 정지시키려면 "don't drive"를 클릭하여 명령을 전송하십시오.로봇을 냄새원으로부터 하류 방향으로 60 centimeters 떨어진 시작 위치에 놓습니다. 모터 드라이버 보드의 스위치를 켭니다. 그런 다음, 캠코더의 녹화 버튼을 눌러 비디오 캡처를 시작합니다."기록 시작" 버튼을 클릭하여 로봇을 작동시키고 동시에 온보드 플래시 메모리에 공의 회전 기록을 시작하는 시작 명령을 전송하십시오. 로봇이 이동하며 냄새 플룸을 추적하기 시작해야 합니다. 로봇이 냄새원을 찾았거나 4분 이내에 찾지 못한 경우, "기록 중지" 및 "주행 금지" 버튼을 클릭하여 로봇의 작동과 기록을 모두 중단하는 명령을 전송하십시오.마지막으로, 캠코더의 녹화 버튼을 눌러 비디오 캡처를 중단합니다. 곤충의 보상 능력을 조사하기 위해 로봇의 회전 및 병진 속도를 수정할 수도 있습니다. 비대칭 모터 게인의 효과를 테스트하려면, 먼저 텍스트 편집기에서 파라미터 파일을 수정하여 회전 게인을 정의하십시오.BioSignal 소프트웨어에서 setparam2를 클릭하여 수정된 구성 설정을 읽어옵니다. 그런 다음, drivemode2를 클릭하여 조작된 게인(gain) 값을 로봇으로 전송합니다. 후각 입력을 조작하려면 흡입 튜브 팁 사이의 간격을 변경하십시오.또는, 각 안테나에 전달되는 냄새 농도를 변경하기 위해 그들의 위치를 반전시킬 수 있습니다. 마지막으로, 온보드 나방의 수평 및 수직 시야를 각각 150도와 90도 차단하기 위해 캐노피를 흰색 종이로 덮어 시각적 입력을 수정할 수 있습니다. 자유롭게 걷는 나방과 곤충 제어 로봇 간의 냄새 추적 행동 비교가 여기에 제시되어 있습니다.동일한 냄새 조건에서, 보행 나방과 로봇 모두 100%의 성공률을 기록했습니다. 로봇은 보행 나방에 비해 더 넓은 궤적을 보였으나, 냄새 위치 파악까지 소요된 시간에는 유의미한 차이가 없었습니다. 냄새 전달 시스템은 고정된 나방의 촉수에 냄새 유입물을 공급하기 위해 필수적입니다. 이 시스템이 없으면 로봇은 냄새원을 향해 방향을 잡지 못하고 정지할 때까지 계속해서 원을 그리며 돌았습니다.튜브 팁의 위치를 변경하여 후각 추적을 위한 양측 후각 입력의 효과를 평가하였습니다. 대조군인 표준 광폭 튜브 간격과 비교하여, 로봇이 협소한 튜브 간격을 갖거나, 반전된 광폭 튜브 간격을 갖거나, 또는 모터 출력이 반전되도록 조작하였습니다. 로봇은 두 가지 간격 너비 조건 모두에서 100%의 성공률을 달성하였으며, 국소화까지 걸린 시간에서 유의미한 차이는 나타나지 않았습니다.반대로, 튜브 팁을 반전시키면 궤적이 넓어지고 위치 파악까지 걸리는 시간이 증가했으나, 이는 통계적으로 유의미하지 않았습니다. 마지막으로, 모터를 반전시킨 조건에서 로봇들은 계속해서 원을 그리며 회전하여 위치 파악 시간을 유의미하게 연장시켰습니다. 숙련된 경우, 적절한 절차에 따라 낮춰진 콕핏에 누에나방을 배치하는 작업은 10분 이내에 완료될 수 있습니다.이 절차를 수행할 때는 불필요한 손상을 방지하기 위해 작업 전반에 걸쳐 누에나방을 조심스럽게 다루는 것이 중요합니다. 이 절차 이후에는 곤충이 조작된 로봇 신체를 조종하는 법을 배울 수 있는지와 같이 적응 행동의 이면에 있는 메커니즘에 관한 추가적인 질문에 답하기 위해 장기 실험을 수행할 수 있습니다. 개발 이후, 이 기술은 신경과학 및 로봇 공학 분야의 연구자들이 적응 행동의 메커니즘을 탐구하고 이를 자율 로봇의 제어에 응용할 수 있는 길을 열어주었습니다.

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Research

연구

JoVE Journal

Neuroscience

신경과학

이 비디오를 문서에서, 우리는 안정적이고 제어 형상과 odorant의 그라디언트의 건설을 허용하는 새로운 방법을 설명합니다. 우리는 간단히 다음과 그라디언트가 후각 결함 (전체 및 부분 후각 상실증)의 화면으로 사용할 수있는 방법을 설명하고 chemotaxis 행동보다 미묘한 기능을 연구하기 위해 서요.

Drosophila의 유충에서 냄새 기반 행동의 고해상도 측정

여기서 우리는 후각 자기 - 밧줄 (OMT) 장치에 대한 취득 비디오 이미지를 최적화하는 방법에 대해 설명합니다. 우리는 또한 visuo - 후각 융합을 공부 두 가지 샘플 실험 프로토콜을 설명합니다.

Drosophila의 비행 중 시각 인한 악취 추적

수직, T-미로 olfactometer는 절지 동물의 행동 반응을 시금에 설명되어 있습니다. olfactometer은 두 잠재적 인 냄새 필드에 대상이 때 실험은 실험 대상으로 수행 선택권을 측정 할 수 있습니다. 모두 인력과 odorants의 반발이 장치와 함께 측정 할 수 있습니다.

Odorants에 Arthropod 응답을 수직 T-미로 초이스 분석

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

우리는 자동으로 그리고 정확하게 검출 카운트, 그리고 그들의 비행 사운드에 기초하여 곤충 비행 분류 저렴 비침 가상 음향 광학 센서를 사용하는 시스템을 제안 하였다.

저렴한 센서와 곤충 검출 및 분류 플라잉

이 프로토콜은 곤충-기계 하이브리드 시스템을 구축하고 비행 곤충의 회전 동작을 제어하는 데 필요한 비행 근육에 무선 전기 자극을 수행하는 과정을 설명합니다.

곤충 - 기계 하이브리드 시스템 : 자유롭게 비행 비틀의 원격 무선 제어 (<em&gt; Mercynorrhina의 torquata</em&gt;)

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

곤충 출현 패턴의 측정 정밀도를 요구 한다. 기존 시스템은 반자동된만 샘플 크기 제한 됩니다. 우리는 신흥 곤충의 큰 숫자의 출현의 시간을 정확 하 게 측정을 마이크로컨트롤러를 사용 하는 시스템을 설계 하 여 이러한 문제를 해결.

곤충 출현 패턴의 검출을 위한 정확 하 고 자치 시스템

여기, 우리는 건설 및 기술 바람 터널의 사용 냄새 중재 곤충과 행동 분석에 대 한. 바람 터널 설계와 시각적 자극 없이 여러 방법으로 악취 소스 출시를 촉진 한다. 풍 동 실험은 행동 활성 휘발성 화학 물질을 식별 하는 중요 한 방법.

냄새에 대 한 바람 터널 중재 곤충 행동 분석 실험

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

학습하세요 누에나방을 이용한 이동 로봇 제어 방법으로 냄새 추적 능력을 평가하는 생체모방 내비게이션 기술입니다. 이 연구는 신경과학 및 로봇공학 분야에서 곤충의 감각-운동 관계를 이해하는 데 활용됩니다.

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

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