Insect-gecontroleerde Robot: Een mobiele robot platform om de geur-tracking-vermogen van een insect Evalueer

Samenvatting

De mogelijkheid een geurbron lokaliseren is noodzakelijk voor insecten overleven en zal gelden voor geurstof-volgen is. Het insect bestuurbare robot wordt aangedreven door een feitelijke silkmoth en stelt ons in staat om de geur volgen vermogen van insecten te evalueren door middel van een robot platform.

Samenvatting

De lokalisatie van robotische geurbronnen is een uitdagende sector waarvoor verwacht werd dat biologische kennis zou bijdragen, aangezien het vinden van geurbronnen een essentiële taak is voor het overleven van organismen. Insecten zijn goed bestudeerd met betrekking tot geurtracking en hun gedragsstrategieën zijn toegepast op mobiele robots voor evaluatie. Deze 'bottom-up'-aanpak is een fundamentele manier om biomimetische robots te ontwikkelen; echter, de biologische analyses en de modellering van gedragsmechanismen zijn nog steeds aan de gang. Daarom is het nog steeds onbekend hoe zo'n biologisch systeem daadwerkelijk werkt als de controller van een robotplatform. Om deze vraag te beantwoorden, hebben we een door insecten bestuurde robot ontwikkeld waarbij een volwassen mannetjeszijdenmade (Bombyx mori) een robotauto bestuurt als reactie op geurstimulus; dit kan worden beschouwd als een prototype van een toekomstige insect-mimetiek robot. In de cockpit van de robot liep een vastgebonden zijdenmade op een door lucht ondersteunde bal en een optische sensor meet de rotaties van de bal. Deze rotaties werden omgezet in de beweging van de robot met twee wielen. Het voordeel van deze 'hybride' aanpak is dat experimenteerders elke parameter van de robot kunnen manipuleren, wat de evaluatie van de geurvolgcapaciteit van insecten mogelijk maakt en nuttige suggesties biedt voor robotische geurtracking. Verder zijn deze manipulaties niet-invasieve manieren om de sensorisch-motorische relatie van een pilootinsect te veranderen en zullen ze een nuttige techniek zijn voor het begrijpen van adaptieve gedragingen.

Inleiding

Autonome robots die in staat zijn om een geurbron te vinden, kunnen belangrijk zijn voor de veiligheid en veiligheid van de samenleving. Ze kunnen worden gebruikt voor het opsporen van rampenslachtoffers, drugs of explosieve materialen op een luchthaven en van gevaarlijke stoffen of lekken in het milieu. Momenteel zijn we volledig afhankelijk van goed getrainde dieren (bijv. honden) voor deze taken, en het lokaliseren van geurbronnen door robots is sterk verwacht om de werklast van deze dieren te verlichten. Het vinden van een geurbron is een uitdagende taak voor robots omdat geuren onregelmatig in een atmosfeer¹ worden verdeeld; daarom is continu bemonsteren van de geurconcentratiegradiënt niet altijd mogelijk. Dus is een zoekstrategie met gebruik van onregelmatige geursignalen noodzakelijk voor het bereiken van lokalisatie van geurbronnen door robots^2-4.

De lokalisatie van geurbronnen is essentieel voor het overleven van organismen en omvat taken zoals het vinden van voedsel, paringspartners en eierlegplaatsen. Om de moeilijkheid van het volgen van verspreide geuren te overwinnen, hebben organismen verschillende gedragsstrategieën ontwikkeld die bestaan uit twee fundamentele gedragingen: stroomopwaarts bewegen tijdens geurperceptie en dwars op de stroom bewegen tijdens het stoppen van geurperceptie^5,6. Deze reactieve strategieën zijn goed gedocumenteerd bij insecten en verder gecombineerd met andere modaliteiten, zoals windrichting en zicht^5-8. De gedragsmodellen van insecten zijn ook nuttige voorbeelden geweest voor robotica^3,9-11, waarbij gedragsalgoritmen of neurale circuitmodellen in mobiele robots worden geïmplementeerd voor de evaluatie van geurbronlocalisatiecapaciteiten^10,12-15. Vanuit biomimetisch perspectief is deze "bottom-up" aanpak zeker een fundamentele manier om biomimetische robots te ontwikkelen. Echter, de bottom-up aanpak is geen snelkoppeling om een nuttige zoekstrategie te verkrijgen, omdat biologische analyses nog steeds bezig zijn en het modelleren van de sensorische-motorische systemen achter insectengedrag nog niet is voltooid. Daarom is het nog steeds onbekend hoe zo'n biologisch systeem daadwerkelijk werkt als een controller van een robotplatform.

In dit artikel demonstreren we het protocol van een eenvoudige "top-down" aanpak om een geurvolgende mobiele robot te ontwikkelen die wordt bestuurd door een biologisch systeem^16,17. De robot wordt bestuurd door een echt insect en kan worden beschouwd als een prototype van toekomstige insecten-imiterende robots. In de cockpit van de robot liep een vastgebonden volwassen mannelijke zijdevlinder (Bombyx mori) op een door lucht ondersteunde bal als reactie op het vrouwelijk feromoon, dat via luchtzuigbuizen naar elke antenne werd geleid. De rotaties van de bal veroorzaakt door het lopen van de vlinder aan boord werden gemeten door een optische sensor en werden vertaald naar de beweging van de tweewielige robot. Het voordeel van deze "hybride" aanpak is dat experimenteerders kunnen onderzoeken hoe het sensorische-motorische systeem van het insect werkt op het robotplatform waarbij een pilootinsect zich in een gesloten lus tussen de robot en een echte geuromgeving bevindt. De manipulatie van de robothardware verandert de gesloten lus; daarom is de door insecten bestuurde robot een nuttig platform voor zowel ingenieurs als biologen. Voor de techniek vertegenwoordigt de robot de eerste stappen van het toepassen van een biologisch model om aan de vereisten voor robottaken te voldoen. Voor de biologie is de robot een experimenteel platform voor het bestuderen van sensorische-motorische controle onder een gesloten lus.

Protocol

1. proefdier

1. Bereid een plastic doos op de poppen van mannelijke silkmoths (B. mori) totdat hun eclosion houden. Zet papieren handdoeken aan de onderkant en stukken karton rond de binnenwand van de doos (Figuur 1A).
   Opmerking: De stukken karton nodig zijn voor de volwassen vlinders te houden terwijl de uitbreiding van hun vleugels tijdens eclosion (Figuur 1A).
2. Zet mannelijke silkmoth (Bombyx mor i) poppen in de doos en bewaar ze in een incubator totdat eclosion onder een 16-hr: 8-uur licht: donker cyclus bij 25 ° C.
   OPMERKING: De mannelijke en vrouwelijke poppen worden onderscheiden door het geslacht markeringen op de buik (Figuur 1B).
3. Verzamel volwassen mannelijke motten na eclosion en zet ze in een nieuwe doos.
4. Houd de volwassen motten in een incubator onder een 16-hr: 8-uur licht: donker cyclus en de temperatuur tot 15 ° C te verlagen om hun activiteit te verminderen voor het experiment.

2. Tethering een Silkmoth

1. Fabricage van een bevestiging voor tethering (Figuur 2A)
   Opmerking: De bevestiging bestaat uit een koperdraad met een strook van een dunne plastic folie op de punt. Dit garandeert de dorsale-ventrale beweging van de thorax tijdens het lopen (figuur 2B).
   1. Bereid een strook van een dunne plastic folie, 2 × 40 mm (dikte: 0,1 mm), en vouw het in het midden.
   2. Bevestig de gevouwen strip aan het uiteinde van een koperdraad met een hechtmiddel.
   3. Buig de punt van de gevouwen strip waar de thorax van een silkmoth bevestigd.
2. Gebruik volwassen motten (2-8 dagen oud) in het licht periode voor het experiment.
   Opmerking: De gevoeligheid voor het feromoon sterk afhankelijk van de circadiane klok ^18. Omdat B. mori is een dagelijkse mot, moet het experiment worden uitgevoerd tijdens het licht periode.
3. Verwijder voorzichtig alle schalen op de dorsal thorax (mesonotum) met een stukje natte weefsel (of wattenstaafje) en bloot de cuticula van de mesonotum (figuur 2C).
4. Plak een hechtmiddel op de strook plastic op de bevestiging en het oppervlak van de blootgestelde mesonotum met een kleine platte schroevendraaier en wacht 5-10 minuten totdat de lijm is niet meer kleverig.
   Opmerking: De lijm moet de vleugel scharnier of de voorvleugel tegulae (figuur 2C) niet aan.
5. Binden de mesonotum naar de bijlage.
6. Houd de mot vastgebonden voordat u deze in de cockpit van de robot. Houd het beslag op een stand en zet een stuk papier onder de poten aan de mot rusten.

3. Insect-gecontroleerde Robot

1. Het ontwerp van de hardware van de insect-gestuurde robot gebaseerd op voorafgaand werk ^16,17,19.
   Opmerking: Het insect-gestuurde robot bestaat uit een met lucht ondersteund loopband met een optische muis sensor Capture het insect motoriek, custom-built-AVR-gebaseerde microcontroller boards voor de verwerking en motorische controle, en twee DC borstelloze motoren (figuur 3 en 4). De robot kan draaien op basis van de kogelrotatie met 96% nauwkeurigheid of hoger, binnen een tijdsvertraging van 200 msec. Het zorgt er ook voor de mobiliteit van de maximale rijsnelheid (24,8 mm / sec) en hoeksnelheid (96,3 ° / sec) van de silkmoth tijdens feromoon volggedrag ^16. De luchtstroom van de loopband (figuur 5A) en geur afgiftesysteem (figuur 5B) zijn ontworpen voor de onboard mot soepel lopen op de bal en deze eigenschappen te verkrijgen door twee antennes. De luchtinlaat en stromingskanaal van de loopband is gescheiden van die van de geur afgiftesysteem om verontreiniging van het feromoon te voorkomen.
2. Ontwerp de software voor de onboard microcontrollers gebaseerd op voorafgaand werk ^16.
   Opmerking: De on-board microcontroller berekent tHij robotbewegingen van het insect locomotie gemeten met een optische sensor (rotatie, Δ x, translationeel Δ y Figuur 6). De vluchttijd (Δ L) en draai hoek (Δθ) per tijdseenheid van de robot worden berekend op basis van reisafstand van elk wiel (links Δ L _L, rechts, Δ L _R) zoals Δ L = (Δ L _L L + Δ _R) / 2 en Δθ = (Δ L _L - L Δ _R) / D _wiel, waarbij D _wiel is de afstand tussen de twee wielen (120 mm). Δ L _L en Δ L _R worden verder beschreven als Δ L _L = Δ L _{x L} + Δ _{Ly, L} en Δ L _R = Δ L _{x, R} + Δ L _{y, R,} waarbij Δ L _{x L <}/ sub> en Δ _{x L, R} zijn de afstanden van de wielen aan de linker en rechterkant gecontroleerd door Δ x en _y Δ _{L, L} en L Δ _{y, R} zijn die niet onder Δ y. Idealiter Δ L _{x, L} en Δ L _{x, R} worden beschreven als Δ L _{x, L} = -Δ L _{x, R} = G Δ x (D _wiel / D _bal), en Δ L _{y, L} en Δ L _{y , R} worden beschreven als Δ _{y L, L} = Δ _{y L, R} = G Δ y, waarin G de motor versterking en D _bal is de diameter van de kogel (50 mm). In de praktijk wordt de motor gain autonoom aan elke zijde (links of rechterwiel) en elke richting (voorwaartse of achterwaartse rotatie) om de robot beweging kalibreren ingesteld. De onafhankelijke winsten verder zorgen voor desetting van asymmetrische motor draaien om een ​​draaiende voorspanning van de robot te genereren (zie stap 6.1).
3. Spoel het oppervlak van een witte polystyreen kogel (gewicht: ongeveer 2 g; diameter: 50 mm) met water om eventuele geur of visuele signalen te verwijderen.
   Opmerking: Het oppervlak van een nieuwe bal worden ruw met fijn schuurpapier korrel, zoals P400, die de hechting van de benen op de bal waarborgt.
4. Zet de ventilator die lucht levert op 9 V aan de loopband en drijft de bal (figuur 5A). Neem de vlotter ongeveer 2 mm van de bodem van de beker.
5. Met behulp van een schroef, hechten de koperdraad van de bijlage met de mot (zie stap 2) tot een vaste waarde in de cockpit van de robot (zie figuur 3 inzet). Zorg ervoor dat de positie van het middelste benen in het middelpunt van de kogel (figuur 7A).
6. Pas de verticale positie van de gehechtheid aan de mot in staat om normaal te lopen op de balle. Houd de bal op dezelfde hoogte vóór en na het bevestigen van de mot (Figuur 7B).
   Opmerking: Een te lage stand die zorgt druk op de mot en lokt achteren lopen om de druk (figuur 7C) weerstaan, terwijl een te hoge positie veroorzaakt instabiele lopen en falen van de sensor als gevolg van veranderingen in de verticale positie van de bal (figuur 7D). Om de normale loopgedrag te controleren, is een single-gepofte feromoon stimulus gebruikt om triggeren wandelen in de mot (voor het feromoon stimulus, zie stap 4). Merk op dat de test stimulus minimaal moet zijn, omdat eerdere blootstelling aan bombykol went silkmoths en vermindert hun gevoeligheid (Matsuyama en Kanzaki, ongepubliceerde gegevens).

4. Geur Bron Voorbereiding

Opmerking: Man B. mori zijn gevoelig voor de belangrijkste component van de soortgenoten vrouwelijke geslacht feromoon (bombykol: (E, Z) -10,12-hexadecadien-1-ol) ^{20. Elke verontreiniging van experimentele apparatuur met bombykol lokt de geur volgen gedrag en invloed op het reactievermogen van de mot.}

1. Drop 10 ul van de bombykol oplossing in n-hexaan (200 ng / ul) op een stuk filtreerpapier (ongeveer 10 mm x 10 mm). De hoeveelheid bombykol per stuk filterpapier is 2000 ng.
   Opmerking: Om de normale loopgedrag van de mot te controleren, bereidt u een feromoon stimulus patroon in deze stap. De patroon is een glazen Pasteur pipet met een stuk filtreerpapier met 2000 ng bombykol. Het duwen van een gloeilamp blaast de lucht met bombykol.

5. Geur Source Localization Experiment

1. Schakel de ventilator van een trekkende-air-type windtunnel (1800 × 900 × 300 mm, L x B x H Figuur 8) en stel de windsnelheid 0,7 m / sec. Dat de temperatuur meer dan 20 ° C.
2. Stel de geur bron (de pIECE van filter met bombykol) stroomopwaarts van de windtunnel.
   Opmerking: De breedte pluim moet vóór het experiment worden bevestigd met _TiCl4 ^17,19.
3. Schakel de microcontroller raad van bestuur van de robot en de oprichting van een seriële verbinding met een pc via Bluetooth.
4. Lanceer een op maat gemaakte Java-programma met de naam "Biosignal", die een interface tussen de pc en de robot biedt.
   Opmerking: Het hoofdvenster knoppen voor het verzenden van opdrachten naar de robot, tekst vensters voor het weergeven van de input en output van de seriële communicatie, en doosjes te configureren. De volgende commando's worden verzonden door te klikken op corresponderende knoppen in dit programma, met uitzondering van de video-capturing.
5. Klik op de "over het apparaat" knop om de verbinding door het sturen van een commando naar de robot via de gespecificeerde COM-poort te bevestigen en te controleren of een bericht wordt geretourneerd door de robot.
6. Klik op de "memory erase "knop naar de vorige beweging gegevens achtergelaten op de onboard flash-geheugen te wissen.
7. Klik op de "drivemode1" knop om de standaard motor winsten om de robot te sturen.
   Opmerking: De manipulaties van de motor winsten en de vertraging tussen insect motoriek en robot beweging worden toegepast na deze stap (zie stap 6.1 en 6.3, Figuur 9).
8. Klik op de knop "niet rijden" naar een commando naar de robot immobiliseren totdat het experiment begint.
9. Zet de robot op een startpositie (600 mm achter de geur source) en zet de schakelaar van de motor driver board.
10. Druk op de opnameknop van de camcorder om video-opname te starten.
11. Klik op de "REC start" knop om een ​​start commando te sturen om de robot te starten met een gelijktijdige registratie van de bal rotatie op de onboard flash-geheugen. Merk op dat de robot begint te bewegen en volgt de geur pluim.
12. Klik op de"Rec stop" en "niet rijden" knoppen om commando's te sturen naar zowel de robot beweging en de opname te stoppen als de robot lokaliseert de geur bron.
13. Druk op de opnameknop van de camcorder om video-opname te stoppen.
14. Download opgenomen motoriek gegevens van de onboard flash-geheugen op de computer via een seriële verbinding. Sluit het programma.

6. Manipulatie van het insect-gecontroleerde Robot

Opmerking: De timing van elke manipulatie is in figuur 9.

1. Manipulatie van motor winsten
   Opmerking: Deze manipulatie wijzigt de translatie- en rotatiesnelheid van de robot. Asymmetrische motorische vooruitgang genereren draaien voorspanning, die kan worden gebruikt om te onderzoeken hoe insecten compenseren vertekening ^17.
   1. Definieer de rotatie voordelen voor voorwaartse en achterwaartse rotatie van de motor aan weerszijden ¹⁷ (figuur 6B) Door de waarde the configuratie bestand met de naam "param2.txt" met een teksteditor.
   2. Klik op de "set param2" om de bewerkte configuratiebestand in het programma te lezen. Klik vervolgens op de "drivemode2" naar de gemanipuleerde winsten om de robot te sturen.
2. Inversie van het motorvermogen
   Opmerking: Deze manipulatie verschaft een toestand vergelijkbaar met de inversie van bilaterale olfactorische ingang (zie stap 6,4) en kan worden gebruikt om de betekenis van bilaterale reukzin onderzoeken. Echter, de omkering van motorvermogen keert ook zelf veroorzaakte visuele beweging van een onboard mot. Het effect van de omgekeerde zelf veroorzaakte visuele input kan worden beoordeeld door een vergelijking met het geïnverteerde olfactorische ingang ^19.
   1. Keren de bilaterale motorische controle door het oversteken van de controlekabels voor elke motor.
3. Manipulatie van de tijdvertraging tussen insect motoriek en robot beweging.
   Let op: Deze manipulatiezorgt voor het onderzoek van de aanvaardbare periode van de tijd besteed aan sensomotorische verwerking voor de robot geur-tracking. De microcontroller slaat de motoriek gegevens op een buffergeheugen en past de verwerking na de opgegeven vertraging. Merk op dat de robot heeft een maximale interne tijdsvertraging van 200 msec; daarom wordt de actuele tijdsvertraging wordt naar de opgegeven tijdvertraging plus 200 msec ^16,17 zijn.
   1. Voer een nummer (0-10) in een kleine doos van het hoofdvenster om een ​​vertraging van 0-1,000 msec bij 100 msec stappen opgeven.
   2. Klik op de "set vertraging" knop om de vertraging toe te passen.
4. Manipulatie van de olfactorische ingang.
   Opmerking: Deze manipulatie kan worden gebruikt om de betekenis van bilaterale olfactorische ingang onderzoeken. De stijging richting van silkmoths bevooroordeeld op de hogere concentratie side ^22.
   1. Wijzig de ruimte tussen de zuigbuis tips of invertsuiker hun posities aan de wijzigingverschil in geurconcentratie overgenomen door elke antenne.
5. Manipulatie van visuele input
   Opmerking: Deze manipulatie is de rol van visuele input geur- tracking onderzoeken.
   1. Bedek de luifel met een white paper dat afsluit 105 ° en 90 ° van de horizontale en verticale gezichtsveld van de onboard mot, respectievelijk.

Resultaten

Wij presenteren hier de basiskenmerken van het insect bestuurbare robot die nodig zijn voor de succesvolle lokalisatie van een geur bron. De vergelijking tussen de robot en silkmoths, de effectiviteit van de geur afgiftesysteem, en de betekenis van nauwkeurige bilaterale olfactorische en visuele input onderzocht.

De vergelijking van geur-tracking-gedrag tussen vrij-walking motten en insecten gestuurde robot is getoond in

Discussie

De belangrijkste punten voor de succesvolle controle van de robot door een silkmoth zijn verhuur van de mot lopen soepel over the-air ondersteunde bal en stabiel meten van de bal rotatie. Daarom tethering de silkmoth en monteren deze op de bal op de juiste plaats zijn de kritische stappen in dit protocol. Ongeschikt hechting van de mot de aan- resp ongepaste positionering van de mot op de bal zal onnatuurlijke druk op, die de normale loopgedrag verstoort en / of veroorzaakt een falen van de optische sensor naar de kogel...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Volwassen mannelijke zijdevlinder (Bombyx mori)			Kweek uit eieren, of koop als poppen.
Incubator	Panasonic	MIR-254	Bewaar poppen of volwassen zijdevlinders op een constante temperatuur, 238 L.
Kunststof doos	Sunplatec	O-3	Bewaar poppen of volwassen zijdevlinders, 299 × 224 × 62 mm L × B × H.
Koperdraad			2-mm diameter voor de bevestiging. Elke stijve staaf kan worden gebruikt als alternatief voor het maken van de bevestiging om een zijdevlinder vast te binden.
Kunststof plaat	Kokuyo	VF-1420N	Verkocht als overhead projectorfilm met een dikte van 0,1 mm. Gebruik op het uiteinde van de bevestiging.
Pincet	As one	5SA	Verwijder schubben op de borstkas.
Lijm	Konishi	G17	Maak een zijdevlinder vast aan de bevestiging.
Door insect bestuurde robot	Op maat		Met een op lucht drijvende loopband, een optische sensor, op maat gemaakte AVR-gebaseerde microcontrollerborden en twee DC borstelloze motoren. Het wordt aangedreven door 8 × AA en 3 × 006P batterijen.
Microcontroller	Atmel	ATMEGA8	Een onderdeel van de door insect bestuurde robot.
DC ventilator	Nidec	A34342-55	Een onderdeel van de door insect bestuurde robot voor het zweven van een bal in een op lucht drijvende loopband.
DC-ventilator	Minebea	1606KL-04W-B50	Een onderdeel van de door insect bestuurde robot voor het afzuigen van lucht met een geur.
Optische muissensor	Agilent Technologies	HDNS-2000	Een onderdeel van de door insect bestuurde robot, verkregen van een optische muis (M-GUWSRSV, Elecom, Japan).
Borstelloze motor	Maxon	EC-45	Een onderdeel van de door insect bestuurde robot voor het aandrijven van een wiel.
Witte polystyreenbal			Een onderdeel van de door insect bestuurde robot. Diameter 50 mm, massa ongeveer 2 g.
Bombykol: (E,Z)-10,12-hexadecadieen-1-ol	Shin-Etsu chemical		Op maat gemaakte synthese.
n-hexaan	Wako	085-00416	Oplosmiddel voor bombykol.
Windtunnel	Op maat		Trek-lucht type, grootte 1.800 × 900 × 300 mm L × B × H.
BioSignal-programma	Op maat		Een programma om seriële communicatie tot stand te brengen tussen de door insect bestuurde robot en een pc via Bluetooth. Gebruikt voor het verzenden van commando's om de robot te starten/stoppen of om de motoreigenschappen te configureren.
Camcorder	Sony	HDR-XR520V	Leg bewegingen van de robot vast.