Artykuł metodologiczny

Wykorzystanie czujników elektroantennogramu owadów w autonomicznych robotach do wyszukiwania węchowego

DOI:

10.3791/51704

⸱

4 sierpnia 2014

 ,  ,  ,  , 
1UMR 7503, Laboratoire Lorrain de Recherche en Informatique et ses Applications (LORIA), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), 2UMR 1392 iEES-Paris, Institut d'Ecologie et des Sciences de l'Environnement de Paris, 3Physics of Biological Systems, Institut Pasteur

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Opisujemy protokół używania anten owadów w postaci elektroantennogramów (EAG) na autonomicznych robotach. Nasza eksperymentalna konstrukcja pozwala na stabilne nagrania w ciągu jednego dnia i rozwiązuje indywidualne plamy zapachowe do 10 Hz. Skuteczność czujników EAG w poszukiwaniu węchu jest wykazywana poprzez kierowanie robota w kierunku źródła zapachu.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Roboty zaprojektowane do śledzenia wycieków chemicznych w niebezpiecznych obiektach przemysłowych1 lub śladów wybuchowych na polach min lądowych2 napotykają ten sam problem, co owady szukające pożywienia lub partnerów3: poszukiwanie węchu jest ograniczone przez fizykę transportu turbulentnego4. Krajobraz koncentracji zapachów przenoszonych przez wiatr jest nieciągły i składa się ze sporadycznie rozmieszczonych plam. Warunkiem wstępnym wyszukiwania węchowego jest wykrycie przerywanych plam zapachowych. Ze względu na dużą szybkość i czułość5-6, narząd węchowy owadów zapewnia wyjątkową możliwość wykrywania. Czułki owadów były w przeszłości wykorzystywane do wykrywania nie tylko feromonów płciowych7, ale także substancji chemicznych istotnych dla ludzi, np. lotnych związków pochodzących z komórek rakowych8 lub substancji toksycznych i nielegalnych9-11. Opisujemy tutaj protokół stosowania czułków owadów w autonomicznych robotach i przedstawiamy dowód słuszności koncepcji śledzenia smug zapachów do ich źródła. Globalna odpowiedź neuronów węchowych jest rejestrowana in situ w postaci elektroantennogramów (EAG). Nasz eksperymentalny projekt, oparty na przygotowaniu całych owadów, pozwala na stabilne nagrania w ciągu jednego dnia roboczego. Dla porównania, EAG na wyciętych czułkach mają żywotność 2 godziny. Opracowano niestandardowy interfejs sprzętowo-programowy między elektrodami EAG a robotem. System pomiarowy rozwiązuje pojedyncze plamy zapachowe do 10 Hz, co wykracza poza skalę czasową czujników sztucznej chemii12. Skuteczność czujników EAG w poszukiwaniach węchowych jest dodatkowo demonstrowana w kierowaniu robota w stronę źródła feromonów. Wykorzystując identyczne bodźce węchowe i czujniki, jak u prawdziwych zwierząt, nasza platforma robotyczna zapewnia bezpośrednie środki do testowania hipotez biologicznych dotyczących kodowania węchowego i strategii wyszukiwania13. Może również okazać się korzystne w wykrywaniu innych substancji zapachowych będących przedmiotem zainteresowania poprzez połączenie EAG różnych gatunków owadów w bioelektroniczną konfigurację nosa14 lub zastosowanie nanostrukturalnych czujników gazu, które naśladują czułki owadów15.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Obecnie zwierzęta takie jak psy są często wykorzystywane w aplikacjach związanych z bezpieczeństwem i ochroną, które obejmują lokalizację wycieków chemicznych, narkotyków i materiałów wybuchowych, ze względu na ich doskonałe możliwości wykrywania zapachów16. Wykazują jednak różnice w zachowaniu, męczą się po intensywnej pracy i wymagają częstego przekwalifikowania, ponieważ ich wydajność spadaz czasem. Jednym ze sposobów na obejście tych ograniczeń jest zastąpienie wyszkolonych psów robotami węchowymi.

Niemniej jednak, śledzenie zapachów i źródeł zapachów jest głównym wyzwaniem w robotyce. W burzliwych środowiskach krajobraz pióropusza zapachowego jest bardzo niejednorodny i niestabilny i składa się ze sporadycznie rozmieszczonych plam4. Nawet w umiarkowanych odległościach od źródła, zaledwie kilka metrów, detekcje stają się sporadyczne i dostarczają wskazówek tylko sporadycznie. Co więcej, lokalne gradienty stężeń podczas detekcji na ogół nie wskazują na źródło. Biorąc pod uwagę nieciągły przepływ informacji i ograniczone informacje lokalne w momencie dokonywania detekcji, jak nawigować robotem w kierunku źródła?

Dobrze wiadomo, że owady, takie jak samce, używają komunikacji chemicznej, aby skutecznie zlokalizować swoich partnerów na duże odległości (setki metrów). Aby to zrobić, przyjmują stereotypowe zachowanie18-20: pędzą pod wiatr po wyczuciu plamy zapachowej i przeprowadzają rozszerzone wyszukiwanie zwane rzucaniem, gdy informacje o zapachu znikają. Ta strategia rzucania przepięć jest czysto reaktywna, tzn. działania są całkowicie zdeterminowane przez bieżące percepcje (zdarzenia wykryte i niewykrywające). Jednak jego wdrożenie w robotach węchowych miało w przeszłości ograniczony sukces, ponieważ wykrywanie plam zapachowych jest utrudnione przez powolność czujników sztucznych gazów.

Czujniki tlenków metalu używane w większości robotów węchowych mają czas reakcji i regeneracji wynoszący kilkadziesiąt sekund, dzięki czemu zazwyczaj filtrują wahania stężenia napotkane w turbulentnych pióropuszach21. Natomiast czas odpowiedzi chemoreceptorów owadów jest znacznie krótszy, np. czas narastania elektroantennogramów owadów (EAG) jest krótszy niż 50 msek22. W rezultacie, dzięki zastosowaniu EAG owadów, impulsy zapachowe są rozwiązywane na częstotliwościach kilku Hz23. Ta właściwość sprawia, że czujniki EAG dobrze nadają się do wykrywania włókien zapachowych w naturalnych pióropuszach. Opisujemy tutaj protokół osadzania EAG owadów na robotach, pozwalający na efektywne wyszukiwanie węchowe przy użyciu strategii falowych i rzutowych.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Protokół opiera się na dostępnym na rynku robocie (patrz tabela materiałów) i samcach (Agrotis ipsilon) z ich feromonami płciowymi. Można go jednak dostosować z niewielkimi modyfikacjami do innych gatunków owadów, środków zapachowych i robotów.

1. Owady

  1. Tylne larwy Agrotis ipsilon Hufnagel (Lepidoptera: Noctuidae) na sztucznej diecie i utrzymują je w osobnych plastikowych kubkach aż do przepoczwarzenia w temperaturze 23±1 °C i wilgotności względnej 50±5%, jak opisano wcześniej24.
  2. Poczwarki płciowe i trzymaj dorosłe samce oddzielnie od samic w plastikowych pudełkach. Daj im bezpłatny dostęp do 20% roztworu sacharozy.
  3. Wykonuj eksperymenty na samcach. Samce są bardzo wrażliwe na feromony płciowe wydzielane przez samice tego samego gatunku. W A. ipsilon, głównym składniku feromonów, octan cis-7-dodecenylu (Z7-12:OAc) jest najbardziej aktywnym związkiem na antenie.

2. Elektrofizjologia

  1. Zapisać EAG z preparatu zawierającego całe owady, jak opisano poniżej (rysunek 1A). Nienaruszone czułki są preferowane w stosunku do czułków wyciętych, ponieważ wykazują dłuższą żywotność (patrz reprezentatywne wyniki).
  2. Chloruj dwa srebrne druty przez zanurzenie w stężonym roztworze wybielacza na 10-20 minut, a następnie spłucz. Proces ten zapobiega polaryzacji elektrod. Musi być powtarzany za każdym razem, gdy linia podstawowa dryfuje podczas eksperymentów lub gdy napięcie niezrównoważenia między elektrodami staje się zbyt duże, aby mogło zostać skompensowane przez wzmacniacz.
  3. Wykonaj szklane elektrody z polerowanych ogniowo kapilar za pomocą ściągacza do elektrod. Polerowanie ogniowe zapobiega zarysowaniu drutu z chlorowanego srebra za pomocą elektrod.
  4. Znieczulij samca CO2 i umieść go w bloku styropianowym z głową wystającą z góry.
  5. Przywiąż głowę owada taśmą malarską do szyi.
  6. Włóż srebrny drut służący jako elektroda referencyjna do szyi.
  7. Pod mikroskopem stereoskopowym unieruchom jedną z anten za pomocą cienkich pasków taśmy malarskiej na końcówce i podstawie.
  8. Wytnij dystalne 2-3 segmenty anteny nożyczkami chirurgicznymi.
  9. Umieść szklaną elektrodę w pobliżu odciętej końcówki anteny za pomocą mikromanipulatora.
  10. Wytnij koniec szklanej kapilary za pomocą kleszczyków, aby uzyskać średnicę nieco większą niż odcięta końcówka anteny.
  11. Napełnij szklaną pipetę (w mM) 6,4 KCl, 340 glukozy, 10 Hepes, 12 MgCl2, 1 CaCl2, 12 NaCl, pH 6,5.
  12. Włóż odciętą końcówkę anteny do szklanej kapilary za pomocą mikromanipulatora.
  13. Wsuń srebrny drut służący jako elektroda nagrywająca do największego końca szklanej kapilary.

3. Interfejs sprzętowy

  1. Zamontuj cały preparat, tj. elektrody owadobójcze-mikromanipulator, na metalowej płytce przykręconej do górnej części robota (rys. 1B). Podłącz elektrody do robota, jak opisano poniżej.
  2. Na podstawie wcześniejszych prac25-26 zaprojektuj interfejs sprzętowy dostosowujący napięcie wyjściowe EAG (rzędu 1 mV przy kilku MΩ) do zakresu odpowiedniego dla płytki rozszerzeń robota. Płytka akceptuje wejścia analogowe 0-5 V, a ujemne napięcie poniżej -200 mV może spowodować poważne uszkodzenia. Wykonaj kroki od 3.2.1 do 3.2.4, aby zaprojektować interfejs z Eagle.
    1. Zaprojektuj zasilanie ±5V z akumulatora +12V za pomocą regulatora napięcia 78L10 ((1) na rysunkach 2A-2C).
    2. Zaprojektuj przedwzmacniacz sceny czołowej (10X) oparty na wzmacniaczu oprzyrządowania INA121 ((3) na rysunkach 2A-2C).
    3. Zaprojektuj wzmacniacz drugiego stopnia (25X) z filtrem szumów (filtr górnoprzepustowy 0,1 Hz pierwszego rzędu, filtr dolnoprzepustowy drugiego rzędu 500 Hz, filtr wycinający 50 Hz) oparty na poczwórnych wzmacniaczach operacyjnych LT1079 ((4) na rysunkach 2A-2C).
    4. Zaprojektuj stopień kondycjonowania sygnału, który jest obliczany za pomocą wzmacniacza operacyjnego LT1079 i diody 1N4148 ((5) na rysunkach 2A-2C). Całkowite wzmocnienie wynosi 250, a wyjście EAG mieści się w zakresie 0-5 V, przy czym zero wynosi 2,5 V.
  3. Podłącz elektrody do różnicowych wejść EAG ((2) na rysunkach 2A-2C). Podłącz elektrodę rejestrującą do wejścia odwracającego INA121, aby uzyskać dodatnie EAG.
  4. Podłącz wyjście EAG ((6) na rysunkach 2A-2C) do 12 wejść analogowych płytki rozszerzeń robota. Ponieważ każde wejście jest odczytywane sekwencyjnie co milisekundę, częstotliwość próbkowania wynosi 1 KHz.

4. Interfejs oprogramowania

Główne wątki zawierają graficzny interfejs użytkownika (GUI), metody wykrywania sygnałów i różne funkcje do sterowania robotem.

  1. Napisz graficzny interfejs użytkownika (rysunek 2D) w Qt-C++ do wizualizacji danych, filtrowania cyfrowego (filtr dolnoprzepustowy Butterwortha 50 Hz) i wykrywania zapachów z EAG. To ostatnie można przeprowadzić na dwa sposoby: albo poprzez dekonwolucję EAG za pomocą odpowiedniego filtra (podejście inżynierskie, sekcja 4.2), albo poprzez modelowanie mechanizmów neuronalnych, które umożliwiają szybkie i niezawodne wykrywanie feromonów u A. ipsilon (podejście inspirowane biologicznie, sekcja 4.3).
  2. Filtr dekonwolucji. EAG jest dobrze opisany przez nieliniową kaskadę27, która składa się ze statycznej nieliniowości figure-protocol-1 oraz filtra dolnoprzepustowego1-go rzędu z wykładniczą funkcją impulsu figure-protocol-2 dla figure-protocol-3, patrz Rysunek 3A. W odpowiedzi na wahania stężenia zapachu figure-protocol-4, wynik EAG jest podawany przez całkę konwolucyjną figure-protocol-5. Dekonwolucja jest po prostu uzyskiwana przez odwrotność systemu; czyli figure-protocol-6 w dziedzinie częstotliwości. Następnie, figure-protocol-7, ponieważ transformata Fouriera odpowiedzi impulsowej to figure-protocol-8. Aby wykryć sygnał, wykonaj kroki od 4.2.1 do 4.2.3.
    1. Przeprowadź proces dekonwolucji w dziedzinie czasu jako figure-protocol-9 i figure-protocol-10, Rysunek 3B.
    2. Przybliż nieliniowość figure-protocol-11 za pomocą funkcji wielomianowej. Dopasuj parametry wielomianu i stałą czasową do par danych wejściowych-wyjściowych, aby zminimalizować błąd średniokwadratowy między rzeczywistymi figure-protocol-12 i zrekonstruowanefigure-protocol-13stężenie zapachu.
    3. Wykrywaj uderzenia feromonu za każdym razem, gdy figure-protocol-14 przekroczy predefiniowany próg.
  3. Detektor neuromorficzny. Alternatywne podejście do detekcji polega na naśladowaniu biologii. U A. ipsilon neurony centralne otrzymujące sygnał wejściowy z anteny reagują na feromon stereotypowym wzorcem wypalania polegającym na hamowaniu pobudzenia13. Model neuronu typu Hodgkina-Huxleya z czterema prądami jonowymi figure-protocol-15 (opóźniony prostownik prąd K+, prądy Na+ i Ca2+ bramkowane napięciem, prąd K+ zależny od małej przewodnościCa2+) został wcześniej opracowany w celu odtworzenia obserwowanych reakcji fizjologicznych13. Aby wykryć sygnał, wykonaj kroki od 4.3.1 do 4.3.3.
    1. Zaimplementuj model neuronów jako równania różniczkowe. Użyj sygnału EAG jako prądu wejściowego figure-protocol-16 w ewolucji potencjału błonowego figure-protocol-17. Użyj pojemności membrany C = 22,9 pF i prądu upływu określonego wzorem figure-protocol-18 o przewodności gL = 0,011161 μS i potencjale odwrócenia EL = -61,4 mV. Prądy jonowe są opisane przez figure-protocol-19 with figure-protocol-20by where figure-protocol-21 są nieliniowymi funkcjami V. Zobacz poprzednią pracę13, aby uzyskać szczegółowe informacje.
    2. Symuluj model neuronu w czasie rzeczywistym za pomocą Sirene, integrując równania różniczkowe z metodą Rungego-Kutty czwartego rzędu i krokiem czasowym figure-protocol-22 = 0.01 ms. Uruchom test spajków V(>tf) >0 mV i V(tf - figure-protocol-23>) <0 mV w trybie online, aby uzyskać czasy skoków i odstępy między skokami.
    3. Wykryj uderzenia feromonu za każdym razem, gdy po wybuchu wzbudzenia (3 kolejne interwały międzykolczaste <70 ms) następuje zahamowanie (interwał międzykolczasty ≥350 ms), patrz rysunek 3C.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Protokół opisany powyżej został najpierw przetestowany z krótkimi, 20 msek impulsami feromonu (dawka 1 μg i 10 μg) bezpośrednio wydmuchanym na antenę. Rysunek 4A przedstawia EAG w odpowiedzi na impulsy feromonów. Są dodatnie, ponieważ elektroda rejestrująca była podłączona do wejścia odwracającego wzmacniacza, jak opisano w kroku 3.3. Jak wskazuje widmo mocy, system pomiarowy jest w stanie rozwiązywać impulsy feromonów do 10 Hz. Dla porównania przetestowaliśmy również dostępny na rynku czujnik gazu. TGS2620 to czujnik tlenku metalu przeznaczony do wykrywania oparów rozpuszczalników. Chociaż czujnik wykazuje wysoką czułość na etanol, nie był w stanie śledzić zmian stężenia (patrz krzywa przerywana na rysunku 4B). Problem wynikał z obudowy czujnika. TGS2620 jest sprzedawany z nakrętką, która ma ognioodporną gazę ze stali nierdzewnej. Czas reakcji jest powolny, ponieważ w praktyce gaz potrzebuje pewnego czasu, aby dyfundować przez gazę i dotrzeć do powierzchni tlenku metalu. Odzyskiwanie jest również powolne, ponieważ czyszczenie czujnika zajmuje trochę czasu, gdy gaz jest uwięziony w nasadce. W związku z tym usunęliśmy nasadkę, a ta modyfikacja znacznie poprawiła dynamikę (patrz zwykła krzywa na rysunku 4B). Mimo to między EAG a TGS2620 istniał dziesięciokrotny współczynnik (10 Hz kontra 1 Hz). Porównanie to ma jednak charakter jakościowy, ponieważ EAG i TGS2620 nie były testowane w tych samych warunkach.

Następnie oceniliśmy stabilność w czasie naszego preparatu z całych owadów (n = 12 ciem) w porównaniu z wyciętymi czułkami (n = 7 czułków). EAG rejestrowano okresowo w odpowiedzi na stymulację feromonami (czas trwania 500 ms, dawka 1 μg). Surowe EAG (w mV) przeliczono na względne EAG (procenty wartości początkowej uzyskane w czasie t = 0). Rysunek 5 pokazuje bardzo dobrą stabilność naszego preparatu z całych owadów w ciągu jednego dnia roboczego. W przeciwieństwie do tego, EAG zarejestrowane na izolowanych antenach gwałtownie spadają w czasie, tak że sygnał spada do połowy swojej początkowej wartości już po 1,5 godziny. Ta zależność czasowa jest dobrze opisana przez wykładniczy rozpad o czasie życia wynoszącym 2 godziny.

Na koniec, przetestowaliśmy zdolność robota EAG do poszukiwania źródła zapachu (związku feromonów Z7-12:OAc) przy użyciu strategii wyszukiwania reaktywnego (Rysunek 6A). Strategia poszukiwawcza łączy falę pod wiatr za każdym razem, gdy feromon zostanie wykryty, z zalewaniem spiralnym w przypadku braku wykryć28. Obecność feromonu jest wykrywana w EAG przez detektor neuromorficzny, jak opisano w kroku 4.3. Na rysunku 6B przedstawiono dwa przykłady EAG zarejestrowanych podczas wyszukiwania. Bez źródła zapachu EAG utrzymuje się w okolicach zera (tj. 2,5 V) z bardzo małą liczbą wykryć lub bez nich. Robot wykonuje odlewanie spiralne i na ogół opuszcza przestrzeń poszukiwań przed dotarciem do miejsca docelowego (w 92% prób, n = 26 prób, rysunek 6C po prawej). Ze źródłem zapachu (Rysunek 6C po lewej), EAG prezentuje wybuchy aktywności (detekcje) przeplatające się z okresami ciszy (brak detekcji). Odlewanie spiralne występuje głównie na konturze pióropusza (Rysunek 6C po lewej, czerwona linia) i wydaje się być skuteczną strategią przesuwania linii środkowej pióropusza, gdy zapach zostaje utracony. W tym stanie źródło jest na ogół znajdowane (wskaźnik sukcesu = 96%, n = 44 próby).

figure-results-1
Rysunek 1.Przygotowanie EAG z całych owadów i konfiguracja robota. A) Elektroantennogram (EAG) jest rejestrowany z preparatu z całych owadów (szczegóły w tekście). B) Preparat montowany jest na robocie. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-2
Rysunek 2.Interfejs sprzętowo-programowy. A) Schemat sprzętu w kształcie orła. Obwód składa się z sześciu odcinków (szczegóły w tekście). Umożliwia filtrowanie (pasmo częstotliwości 0,1-500 Hz, wycięcie przy 50 Hz), wzmocnienie (całkowite wzmocnienie 250X) i kondycjonowanie sygnału w zakresie 0-5 V. B) Układ Eagle pokazujący linie miedzi (góra jest w kolorze czerwonym, a dolna w niebieskim) i otwory (w kolorze zielonym). C) Płytka drukowana (PCB) przedstawiająca elementy dyskretne. D) Graficzny interfejs użytkownika (GUI) napisany w Qt-C++ do wizualizacji danych (czerwony ślad = wejście EAG, zielony ślad = wyjście modelu neuronu), projektowania filtrów i wykrywania sygnałów. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-3
Rysunek 3.Detekcja sygnału z EAG. A) Model elektroantennogramu (EAG). EAG jest modelowany przez nieliniową kaskadę27, która składa się z nieliniowości statycznej, po której następuje filtr dolnoprzepustowy1 rzędu z wykładniczą funkcją impulsu figure-results-4. Wynik EAG jest określony przez całkę konwolucyjną z figure-results-5. B) Podejście inżynierskie. Filtr dekonwolucji zapisuje figure-results-6 i figure-results-7, szczegóły w tekście. Napotkanie zapachu (trafienia) są wykrywane za każdym razemfigure-results-8przekroczy predefiniowany próg. C) Podejście inspirowane biologią. Model neuronu typu Hodgkina-Huxleya z pięcioma prądami wewnętrznymi (przeciek, K+, Na+,Ca2+ i SK) służy do odtworzenia obserwowanego wzorca wypalania pobudzenia-hamowania (E-I) obserwowanego eksperymentalnie13. Do wykrywania sygnału sygnał EAG jest używany jako prąd wejściowy, a trafienia są wykrywane, gdy po wybuchu wzbudzenia następuje zahamowanie aktywności odpalania.

figure-results-9
Rysunek 4.Czas odpowiedzi EAG. A) Zapisy EAG w odpowiedzi na impulsy feromonów o długości 20 ms (dawka 1 μg i 10 μg) dostarczane z różną szybkością (1, 2, 4, 6, 8 i 10 impulsów/s). Znormalizowane widmo mocy EAG pokazano dla bodźca pulsującego z częstotliwością 1 i 10 Hz (dawka 1 μg i 10 μg). EAG rozwiązuje pojedyncze impulsy do 10 Hz. B) Zapisy z czujnika gazu TGS2620 w odpowiedzi na etanol (zmienne stężenie). Krzywe przerywane i gładkie to odpowiedź czujnika odpowiednio z nasadką i bez niej. Czujnik z nasadką ma czas reakcji wynoszący kilkadziesiąt sekund, dzięki czemu nie może podążać za wahaniami stężenia gazu. TGS2620 bez górnego limitu rozwiązuje indywidualne wahania do 1 Hz. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-10
Rysunek 5.Stabilność EAG (preparat z całych owadów vs antena z wycięciem). EAG rejestrowano co godzinę przez 8 godzin dla preparatu z całych owadów (n = 12 miesięcy) i co 20 minut przez 3,2 godziny dla wyciętych czułków (n = 7 czułków). Rysunek przedstawia względne EAG (procenty wartości początkowej uzyskane w czasie t = 0). Zależność czasowa dla wyciętych czułków jest dobrze dopasowana przez wykładniczy rozpad o czasie życia 2 godzin (okres półtrwania 1,5 godziny).

figure-results-11
Rysunek 6.Eksperymenty robotyczne. A) Strategia rzucania pod wiatr łączy falowanie pod wiatr w obecności zapachu z odlewaniem spiralnym w przypadku jego braku28. B) Typowy EAG zarejestrowany podczas przeszukania, gdy robot jest w ruchu (z zapachem i bez zapachu). C) Trajektorie robota z zapachem (n = 44 próby) i bez zapachu (n = 26 prób). Czerwona przerywana linia reprezentuje kontur pióropusza, w którym 90% wszystkich wykryć miało miejsce podczas prób. Warunki eksperymentalne: przestrzeń poszukiwań = 4 m x 2,5 m, prędkość robota = 5,6 cm/s, cel = 10 μg feromonu osadzonego na papierowym filtrze i wymienianego co 2 próby, początkowa lokalizacja robota = 2 m od celu, prędkość wiatru = 0,9 ± 0,2 m/s w miejscu docelowym. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Prawie dwadzieścia lat temu Kanzaki i jego koledzy zapoczątkowali pomysł zastosowania EAG w robotach węchowych29-30. Ich technika pierwotnie opierała się na wyciętych czułkach. W tym przypadku nagrywaliśmy z nienaruszonych czułków, aby poprawić czułość i żywotność preparatu. W innych badaniach31-32 również zauważono wyższość preparatów na całe ciało nad izolowanymi czułkami. W naszych eksperymentach robotycznych doświadczyliśmy stabilnych nagrań w ciągu jednego dnia. Natomiast EAG zarejestrowane na izolowanych antenach mają żywotność 2 godziny (ryc. 5).

Nasza platforma robotyczna EAG została opracowana przede wszystkim w celu testowania hipotez biologicznych dotyczących kodowania węchowego i strategii wyszukiwania u owadów13. Podobnie jak w przypadku neuronów centralnych otrzymujących dane wejściowe z czułków owadów, połączyliśmy model neuronu z prawdziwą anteną na robocie i przeprowadziliśmy detekcję feromonów w oparciu o ich wzorzec wypalania. Zdarzenia detekcji i niewykrycia zostały następnie wykorzystane do skierowania robota w kierunku źródła feromonu. Rozważana tutaj strategia wyszukiwania reaktywnego została zainspirowana wzorcami zachowań samców ciem zwabionych feromonem płciowym. Sprawdził się dobrze w warunkach laboratoryjnych (ryc. 6), pozwalając na zlokalizowanie źródła niskiej emisji (dawka feromonu 10 μg w naszym przypadku w porównaniu z 10 mg w poprzednich pracach24) w stosunkowo dużej przestrzeni poszukiwawczej (początkowa odległość od źródła 2 m w porównaniu z 10 cm w poprzednich eksperymentach20-21).

Te eksperymenty robotyczne powinny być traktowane jako dowód na słuszność koncepcji pokazujący, że czułki owadów nadają się do zrobotyzowanych poszukiwań węchowych. Chociaż wiadomo, że czułki owadów reagują na toksyczne gazy, narkotyki i materiały wybuchowe9-11, potrzebnych jest kilka rozszerzeń, aby poradzić sobie z rzeczywistymi zastosowaniami. Po pierwsze, bardziej wyrafinowana metoda poszukiwawcza34-36 może być bardziej skuteczna na odległościach powyżej 10 m, kiedy ponowne pozyskanie pióropusza staje się bardzo mało prawdopodobne. Po drugie, może być konieczne połączenie EAG różnych gatunków w bioelektroniczną konfigurację nosa14 w celu wykrycia substancji zapachowych będących przedmiotem zainteresowania. Po trzecie, możliwości wykrywania stereo uzyskane dzięki nagrywaniu z dwóch anten tego samego owada mogą okazać się korzystne pod względem skuteczności. Dwa czujniki zastosowane równolegle mogą rzeczywiście zwiększyć kierunkowość. Po czwarte, należy rozważyć rozszerzenie strategii poszukiwań na zbiorowe poszukiwania robotyczne37 , nawet jeśli nie są one biologicznie istotne w przypadku ciem.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ta praca została sfinansowana przez państwowy program Investissements d'avenir zarządzany przez ANR (grant ANR-10-BINF-05 'Pherotaxis').

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Agrotis ipsilonPISC
http://www-physiologie-insecte.versailles.inra.fr/indexenglish.php		moth
Robot Khepera IIIK-team
www.k-team.com		Khe3Base + KorBotLE + KorWifi
KoreIOLEK-teamKarta rozszerzeń wejść/wyjść
EAG-robotinterface LORIA
www.loria.fr		Sprzęt i oprogramowanie na zamówienie
SireneLORIA symulator neuronów sirene.gforge.inria.fr
EagleCadSoft www.cadsoftusa.comoprogramowanie do projektowania PCB
MikromanipulatorNarishige / Bio-logicUN-3C
Podstawa magnesuNarishige/ Bio-logicUSM-6
AdapterNarishige/ Bio-logicUX-6-6
RotuleNarishige/ Bio-logicUPN-B
MikronożyczkiMORIA / Phymep15371-92
Mikroskop stereoskopowy Zeiss Sté mi 2000Fisher ScientificB19961
Źródło światła 20 W KL200Fisher ScientificW41745
Narishige PC-10 Na PC-1NarishigeNarishige PC-10
Kapilary Na PC-1Fisher scientificC01065
Octan feromonu cis-7-dodecenylu (Z7-12:OAc)Sigma-Aldrich259829
Zestaw 3 pipet: 2-20 i mikro; l/ 50-200 &mikro; l/ 100-1,000 &mikro; lEppendorf4910000514Do rozcieńczania i osadzania feromonów na filtrze bibułowym
Czujnik gazu TGS2620 Figaro www.figarosensor.comOpcjonalnie, dla porównania z ściągaczem
elektrodNarishige Komputer PC-10
EAG

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Russel, R. A. World Scientific Series in Robotics and Intelligent Systems. Odour detection by mobile robots. , 232(1999).
  2. Woodfin, R. L. Trace chemical sensing of explosives. , John Wiley and Sons. 496(2006).
  3. Wyatt, T. D. Pheromones and animal behavior. , second edition, Cambridge University Press. (2013).
  4. Weissburg, M. The fluid dynamical context of chemosensory behavior). Biol. Bull. 198, 188-202 (2000).
  5. Angioy, A. M., Desogus, A., Barbarossa, I. T., Anderson, P., Hansson, B. S. Extreme Sensitivity in an Olfactory System. Chem. Senses. 28 (4), 279-284 (2003).
  6. Kaissling, K. -E. The Sensitivity of the insect nose: the example of Bombyx mori. Biologically inspired signal processing. Marco, , Springer Verlag. Berlin Heidelberg. 45-52 (2009).
  7. Sauer, A. E., Karg, G., Koch, U. T., Dekramer, J. J., Milli, R. A portable EAG system for the measurement of pheromone concentration in the field. Chem. Senses. 17 (5), 543-553 (1992).
  8. Strauch, M., et al. More than apples and oranges - Detecting cancer with a fruit fly's antenna. Scientific reports. 4 (3576), 1-9 (2014).
  9. Marshall, B., Warr, C. G., de Bruyne, M. Detection of Volatile Indicators of Illicit Substances by the Olfactory Receptors of Drosophila melanogaster. Chem. Senses. 35 (7), 613-625 (2010).
  10. Rains, G. C., Tomberlin, J. K., Kulasiri, D. Using insect sniffing devices for detection. Trends Biotechnol. 26 (6), 288-294 (2008).
  11. King, T. L., Horine, F. M., Daly, K. C., Smith, B. H. Explosives detection with hard-wired moths. IEEE Trans. Instrumentation and Measurement. 53 (4), 1113-1118 (2004).
  12. Gardner, J., Bartlett, P. Electronic noses. , Oxford University Press. (1999).
  13. Martinez, D., et al. Multiphasic On/Off pheromone signaling in moths as neural correlates of a search strategy. PLoS ONE. 8 (4), (2013).
  14. Park, K. C., Ochieng, S. A., Zhu, J., Baker, T. C. Odour discrimination using insect electroantennogram responses from an insect antennal array. Chem. Senses. 27, 343-352 (2002).
  15. Spitzer, D., et al. Bio-Inspired Nanostructured Sensor for the Detection of Ultralow Concentrations of Explosives. Angewandte Chemie. 51 (22), 5334-5338 (2012).
  16. Furton, K. G., Myers, L. J. The scientific foundation and efficacy of the use of canines as chemical detectors for explosives. Talanta. 54, 487-500 (2001).
  17. Williams, M., Johnston, J. M. Training and maintaining the performance of dogs (Canis familiaris) on an increasing number of odor discriminations in a controlled setting. Applied Animal Behaviour Science. 78, 55-65 (2002).
  18. Murlis, J., Elkinton, J. S., Cardé, R. T. Odour plumes and how insects use them. Annu. Rev. Entomol. 37, 505-532 (1992).
  19. Kaissling, K. E. Pheromone-controlled anemotaxis in moths. Orientation and communication in Arthropods. Lehler, M. , Birkhäuser Verlag. Basel/Switzerland. 343-374 (1997).
  20. Vickers, N. J. Mechanisms of animal navigation in odor plumes. Biol. Bull. 198, 203-212 (2000).
  21. Martinez, D., Rochel, O., Hugues, E. A biomimetic robot for tracking specific odors in turbulent plumes. Autonomous Robot, Special Issue on Mobile Robot Olfaction. 20, 185-195 (2006).
  22. Szyszka, P., Stierle, J. S., Biergans, S., Galizia, C. G. The Speed of Smell: Odor-Object Segregation within Milliseconds. PLoS ONE. 7, (2012).
  23. Bau, J., Justus, K. A., Loudon, C., Cardé, R. T. Electroantennographic resolution of pulsed pheromone plumes in two species of moths with bipectinate antennae. Chem Senses. 30, 771-780 (2005).
  24. Barrozo, R. B., Gadenne, C., Anton, S. Switching attraction to inhibition: mating-induced reversed role of sex pheromone in an insect. J. Exp. Biol. 213, 2933-2939 (2010).
  25. Land, B. R., Wyttenbach, R. A., Johnson, B. R. Tools for physiology labs: an inexpensive high-performance amplifier and electrode for extracellular recording. J. Neuroscience Methods. 106, 47-55 (2001).
  26. Ortiz, L. A mobile electrophysiology board for autonomous robotics. Master thesis. , The University of Arizona. (2006).
  27. Justus, K. A., Cardé, R. T., French, A. S. Dynamic Properties of Antennal Responses to Pheromone in Two Moth Species. J. Neurophysiol. 93, 2233-2239 (2005).
  28. Martinez, D., Moraud, E. M. Reactive and cognitive search strategies for olfactory robots. Neuromorphic Olfaction, Frontiers in Neuroengineering Series. Persaud, K. .C., Marco, S., Gutierrez-Galvez, A. , CRC Press. (2013).
  29. Kuwana, Y., Shimoyama, I., Miura, H. Steering control of a mobile robot using insect antennae. Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. , Pittsburgh, PA. (1995).
  30. Kuwana, Y., Nagasawa, S., Shimoyama, I., Kanzaki, R. Synthesis of the pheromone-oriented behaviour of silkworm moths by a mobile robot with moth antennae as pheromone sensors. Biosensors and Bioelectronics. 14, 195-202 (1999).
  31. Myrick, A. J., Park, K. C., Hetling, J. R., Baker, T. C. Detection and discrimination of mixed odor strands in overlapping plumes using an insect-antenna-based chemosensor system. J. Chem. Ecol. 35, 118-130 (2009).
  32. Myrick, A. J., Park, K. C., Hetling, J. R., Baker, T. C. Real-time odor discrimination using a bioelectronic sensor array based on the insect electroantennogram. Bioinspiration and Biomimetics. 3, (2008).
  33. Vickers, N. J., Christensen, T. A., Baker, T. C., Hildebrand, J. G. Odour-plume dynamics influence the brain's olfactory code. Nature. 410, 466-470 (2001).
  34. Vergassola, M., Villermaux, E., Shraiman, B. I. 'Infotaxis' as a strategy for searching without gradients. Nature. 445, 406-409 (2007).
  35. Martin-Moraud, E., Martinez, D. Effectiveness and robustness of robot infotaxis for searching in dilute conditions. Frontiers in neurorobotics. , (2010).
  36. Masson, J. -B. Olfactory searches with limited space perception). PNAS. 110, 11261-11266 (2013).
  37. Masson, J. -B., Bailly Bechet, M., Vergassola, M. Chasing information to search in random environments. J. Phys. A: Math. Theor. 42, (2009).

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Robot w chowypreparaty ca ych owad wdetekcja sygna u EAGledzenie pi ropusza zapachowegoautonomiczna nawigacja robotalokalizacja r d a feromon wbioelektroniczny noswzmacnianie i filtrowanie sygna ureaktywna strategia poszukiwania

Powiązane artykuły