Insect-gecontroleerde Robot: Een mobiele robot platform om de geur-tracking-vermogen van een insect Evalueer
December 19th, 2016
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.
Het algemene doel van dit experiment is om de geurvolgcapaciteit van een insect dat als bestuurder van een mobiele robot wordt gebruikt, te evalueren. Deze methode kan sleuteluitdagingen in het biomedics-gebied aanpakken, zoals hoe insecten kunnen worden gebruikt in biomimische navigatie van mobiele robots. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat we een insect direct kunnen gebruiken als bestuurder van een mobiele robot en zijn vermogen om een geurbron te vinden kunnen evalueren.
De implicaties van deze techniek strekken zich uit naar het begrijpen van de biologische mechanismen achter andere gedragingen, omdat onderzoekers de sensorisch-motorische relatie van een insect aan boord kunnen veranderen door robotische manipulatie. Om het experiment te beginnen, selecteer eerst een volwassen zijdevlinder die tussen de twee en acht dagen oud is. Verwijder voorzichtig alle schubben op het mesonotum met een stuk nat weefsel of wattenstaafje om de cuticula bloot te leggen.
Plaatop een kleefstof op de plastic strip aan het einde van de bevestiging. Plak vervolgens wat kleefstof op het oppervlak van het blootgestelde mesonotum, zorg ervoor dat u de vleugelscharnier of voorvleugel tegulae niet aanraakt. Wacht vijf tot tien minuten totdat de lijm niet meer plakkerig is.
Verbind het mesonotum van de mot met de bevestiging. Houd de mot vastgebonden door de bevestiging aan een standaard te bevestigen. Plaats een stuk papier onder de poten van de mot om hem te laten rusten.
Was het oppervlak van een witte, geëxpandeerde polystyreenbal met water om eventuele olfactorische of visuele aanwijzingen te verwijderen. Schakel vervolgens de ventilator in die lucht naar de loopband levert. De bal moet ongeveer twee millimeter boven de bodem van de beker zweven.
Bevestig met een schroef de koperdraad van de motbevestiging aan de bevestiging in de cockpit van de robot. Zorg ervoor dat de mot met het middelste beenpaar in het midden van de bal is gepositioneerd. Terwijl u de hoogte van de bal hetzelfde houdt, past u de verticale positie van de bevestiging aan om de mot in staat te stellen normaal op de bal te lopen.
Als gewenst, voer geslachtsferomoonstimulering uit bij de vastgebonden mot om zijn loopgedrag te controleren. Het controleren van het loopgedrag van een vastgebonden mot is van cruciaal belang in de juiste verticale positie van de mot met hun onregelmatige gedrag of het gedrag van optische sensorische lezing. Beiden hebben direct invloed op de resulterende robotbeweging.
Schakel de lucht van een luchttrektunnel in en stel de windsnelheid in op 0,7 meter per seconde. Zorg ervoor dat de temperatuur boven de 20 graden Celsius is. Plaats het geurmiddel in het centrum van de dwarswindpositie en 25 centimeter stroomafwaarts van een gaaspaneel.
Schakel de microcontrollerkaart van de robot in en stel een seriële verbinding tot stand met een computer via Bluetooth. Start de BioSignal-programma-interface tussen de computer en de robot. Klik op de knop "over het apparaat" om de verbinding te bevestigen door een opdracht naar de robot te sturen via de opgegeven COM-poort, en controleer vervolgens of er een bericht van de robot wordt teruggestuurd.
Klik op de knop "geheugen wissen" om alle eerdere locomotiepgegevens in het flashgeheugen aan boord te verwijderen. Druk vervolgens op de knop "drivemode1" om de standaard motorversterkingen naar de robot te sturen. Klik op "niet rijden" om de opdracht naar de robot te sturen om geïmmobiliseerd te worden tot het experiment begint.
Plaats de robot op de startpositie 60 centimeter stroomafwaarts van de geurbron. Schakel de schakelaar naar de motordriverboard in. Druk vervolgens op de opnameknop op de camcorder om de video-opname te starten.
Klik op de knop "opname starten" om een startopdracht te sturen die de robot zal starten en tegelijkertijd het opnemen van de balrotatie naar het flashgeheugen aan boord zal beginnen. De robot moet beginnen te bewegen en de geurpluim volgen. Wanneer de robot de geurbron lokaliseert of binnen vier minuten niet lokaliseert, klikt u op de knoppen "opname stoppen" en "niet rijden" om opdrachten te sturen om zowel de robot als de opname te stoppen.
Druk tenslotte op de opnameknop van de camcorder om de video-opname te stoppen. De rotatiesnelheid en translatiesnelheid van de robot kunnen ook worden aangepast om de compensatoire vaardigheden van het insect te onderzoeken. Om het effect van asymmetrische motorversterkingen te testen, definieer eerst de rotatiewinsten door de parameters in het teksteditor te bewerken.
Klik in de BioSignal-software op "setparam2" om de bewerkte configuratie te lezen. Klik vervolgens op "drivemode2" om deze gemanipuleerde winsten naar de robot te sturen. Om de olfactorische input te manipuleren, verander de opening tussen de zuigbuispunten.
Of, draai hun posities om om de geurconcentratie te wijzigen die aan elke antenne wordt geleverd. Ten slotte kan de visuele input worden aangepast door het luik met wit papier te bedekken om 150 graden en 90 graden van het horizontale en verticale visuele veld van de aan boord geplaatste mot respectievelijk te occulteren. De vergelijking van geurvolggedrag tussen vrij lopende motten en de insect-bestuurde robot wordt hier getoond.
Onder dezelfde geursomstandigheden behaalden zowel de lopende motten als de robots een succespercentage van 100% Hoewel de robot bredere trajecten vertoonde in vergelijking met de lopende mot, was er geen significant verschil in tijd tot geurlokalisatie. Het geurtoedieningssysteem is noodzakelijk voor het leveren van de geurtoevoer naar de antennes van de verhoogde mot. Zonder dit systeem kon de robot zich niet op de geurbron oriënteren en bleef rondcirkelen totdat hij stopte.
De effectiviteit van een bilaterale olfactorische input voor geurvolging werd geëvalueerd door de positie van de buispunten te veranderen. In vergelijking met de controlestandaard brede buisopening, werden robots gemanipuleerd om ofwel een smalle buisopening, omgekeerde brede buisopening of een omgekeerde motoruitvoer te hebben. De robot behaalde 100% succes met beide gapbreedtevoorwaarden, zonder significant verschil in tijd tot lokalisatie.
Omgekeerd verbreedde inversie van de buispunten de trajecten en verlengde de tijd tot lokalisatie, hoewel niet significant
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Overzicht
Deze studie evalueert het geurvolgvermogen van een insect, specifiek een zijdenmot, als controller voor een mobiele robot. De bevindingen kunnen implicaties hebben voor biomimische navigatie in de robotica en het begrijpen van sensorisch-motorische relaties.
Belangrijkste onderdelen van de studie
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschap
- Robotica
- Biomimmie
Achtergrond
- Insecten hebben geavanceerde mechanismen ontwikkeld voor geurlocalisatie.
- Het begrijpen van deze mechanismen kan robotnavigatie verbeteren.
- Het gebruik van insecten als controllers biedt een unieke benadering om gedrag te bestuderen.
- Zijdenmotten worden gekozen vanwege hun effectieve geurvolgvermogen.
Doel van de studie
- Om het vermogen van zijdenmotten te beoordelen om een mobiele robot naar een geurbron te leiden.
- Om de potentiële toepassingen in biomedics en robotica te verkennen.
- Om de sensorisch-motorische relatie te onderzoeken door middel van robotische manipulatie.
Gebruikte methoden
- Selectie van volwassen zijdenmotten tussen de twee en acht dagen oud.
- Voorbereiding van de zijdenmot door het verwijderen van schubben op het mesonotum.
- Gebruik van een mobiele robot gecontroleerd door het insect.
- Evaluatie van het vermogen van de robot om geuren te volgen op basis van de reacties van het insect.
Belangrijkste resultaten
- De zijdenmot leidde de robot met succes naar de geurbron.
- Robotische manipulatie veranderde de sensorisch-motorische relatie van het insect.
- De methode toonde potentieel voor verder onderzoek in biomimische navigatie.
- De bevindingen dragen bij aan het begrijpen van de biologische mechanismen achter insectengedrag.
Conclusies
- Deze studie benadrukt de haalbaarheid van het gebruik van insecten in robotnavigatie.
- Het opent mogelijkheden voor onderzoek in zowel robotica als neurowetenschap.
- Toekomstige studies kunnen voortbouwen op deze bevindingen om robotsystemen te verbeteren.
Veelgestelde vragen
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
