Method Article

Robot sterowany przez owady: mobilna platforma robota do oceny zdolności owadów do śledzenia zapachów

DOI:

10.3791/54802

December 19th, 2016

In This Article

Summary

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

Zdolność do lokalizacji źródła zapachu jest niezbędna do przetrwania owadów i oczekuje się, że będzie miała zastosowanie do sztucznego śledzenia zapachów. Robot sterowany przez owady jest napędzany przez prawdziwą jedwabną i umożliwia nam ocenę zdolności owadów do śledzenia zapachów za pomocą platformy robotycznej.

Abstract

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

Lokalizacja źródeł zapachów za pomocą robotów była trudnym obszarem, do którego wiedza biologiczna miała się przyczynić, ponieważ znalezienie źródeł zapachów jest kluczowym zadaniem dla przetrwania organizmu. Owady są dobrze przebadanymi organizmami pod względem śledzenia zapachów, a ich strategie behawioralne zostały zastosowane do oceny robotów mobilnych. To "oddolne" podejście jest podstawowym sposobem rozwoju robotów biomimetycznych; Analizy biologiczne i modelowanie mechanizmów behawioralnych wciąż jednak trwają. Dlatego nadal nie wiadomo, jak taki system biologiczny faktycznie działa jako kontroler platformy robotycznej. Aby odpowiedzieć na to pytanie, opracowaliśmy robota sterowanego przez owady, w którym dorosły samiec jedwabnej (Bombyx mori) prowadzi samochód-robota w odpowiedzi na bodźce zapachowe; Można go uznać za prototyp przyszłego robota naśladującego owady. W kokpicie robota jedwabna na uwięzi chodziła po piłce podtrzymywanej powietrzem, a czujnik optyczny mierzył obroty piłki. Obroty te przekładały się na ruch dwukołowego robota. Zaletą tego "hybrydowego" podejścia jest to, że eksperymentatorzy mogą manipulować dowolnym parametrem robota, co umożliwia ocenę zdolności owadów do śledzenia zapachów i dostarcza użytecznych sugestii dotyczących śledzenia zapachów przez roboty. Co więcej, manipulacje te są nieinwazyjnymi sposobami zmiany relacji czuciowo-motorycznej owada pilota i będą przydatną techniką do zrozumienia zachowań adaptacyjnych.

Introduction

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

Autonomiczne roboty zdolne do znalezienia źródła zapachu mogą być ważne dla bezpieczeństwa społeczeństwa. Mogą być wykorzystywane do wykrywania ofiar klęsk żywiołowych, narkotyków lub materiałów wybuchowych na lotnisku oraz wycieków lub wycieków materiałów niebezpiecznych do środowiska. Obecnie polegamy całkowicie na dobrze wyszkolonych zwierzętach (np. psach) do tych zadań, a zrobotyzowana lokalizacja źródeł zapachów jest mocno oczekiwana, że odciąży te zwierzęta. Znalezienie źródła zapachów jest trudnym zadaniem dla robotów, ponieważ substancje zapachowe są rozprowadzane w atmosferze z przerwami1; W związku z tym ciągłe pobieranie próbek gradientu stężenia zapachu nie zawsze jest możliwe. W związku z tym strategia wyszukiwania wykorzystująca przerywane sygnały zapachowe jest niezbędna do osiągnięcia zrobotyzowanej lokalizacji źródła zapachów2-4.

Lokalizacja źródła zapachu jest niezbędna do przetrwania organizmu i obejmuje takie zadania, jak znajdowanie pożywienia, partnerów do krycia i miejsc do składania jaj. Aby przezwyciężyć trudności w śledzeniu niejednolicie rozmieszczonych substancji zapachowych, organizmy wyewoluowały różne strategie behawioralne składające się z dwóch podstawowych zachowań: przemieszczania się w górę strumienia podczas odbioru zapachu i strumienia krzyżowego podczas ustania odbioru zapachu5,6. Te strategie reaktywne zostały dobrze udokumentowane u owadów i dalej łączone z innymi modalnościami, takimi jak kierunek wiatru i widzenie5-8. Modele behawioralne owadów były również użytecznymi przykładami dla robotyki3,9-11, w której algorytmy behawioralne lub modele obwodów neuronowych są implementowane w robotach mobilnych w celu oceny zdolności lokalizacji źródła zapachów10,12-15. Z perspektywy biomimetycznej to "oddolne" podejście jest z pewnością podstawowym sposobem rozwoju robotów biomimetycznych. Podejście oddolne nie jest jednak drogą na skróty do uzyskania użytecznej strategii poszukiwań, ponieważ analizy biologiczne wciąż trwają, a modelowanie systemów czuciowo-motorycznych stojących za zachowaniami owadów nie zostało zakończone. W związku z tym nadal nie wiadomo, w jaki sposób taki system biologiczny faktycznie działa jako kontroler platformy robotycznej.

W tym artykule demonstrujemy protokół prostego podejścia "od góry do dołu" w celu opracowania mobilnego robota śledzącego zapachy, kontrolowanego przez system biologiczny16,17. Robot jest sterowany przez prawdziwego owada i może być uważany za prototyp przyszłych robotów naśladujących owady. W kokpicie robota uwiązany dorosły samiec jedwabnej (Bombyx mori) chodził po piłce podtrzymywanej powietrzem w odpowiedzi na żeński feromon płciowy, który był dostarczany do każdej anteny przez rurki ssące powietrze. Obroty piłki spowodowane chodzeniem pokładowej były mierzone przez czujnik optyczny i przekładały się na ruch dwukołowego robota. Zaletą tego "hybrydowego" podejścia jest to, że eksperymentatorzy mogą zbadać, jak działa system czuciowo-motoryczny owadów na platformie robotycznej, na której owad pilotujący znajduje się w zamkniętej pętli między robotem a rzeczywistymi okolicznościami zapachowymi. Manipulacja sprzętem robota zmienia zamkniętą pętlę; Dlatego robot sterowany przez owady jest przydatną platformą zarówno dla inżynierów, jak i biologów. Dla inżynierii robot stanowi pierwszy krok w zastosowaniu modelu biologicznego w celu spełnienia wymagań dotyczących zadań robotycznych. Dla biologii robot jest eksperymentalną platformą do badania kontroli sensacyjno-motorycznej w zamkniętej pętli.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

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

1. Zwierzę doświadczalne

  1. Przygotuj plastikowe pudełko, w którym będziesz trzymać poczwarki samców jedwabników (B. mori) do czasu ich eklątwy. Połóż ręczniki papierowe na dole, a kawałki tektury wokół wewnętrznej ścianki pudełka (Rysunek 1A).
    nuta: Kawałki tektury są niezbędne dorosłym do trzymania podczas wysuwania skrzydeł podczas eklozji (ryc. 1A).
  2. Umieścić poczwarki samca jedwabnej (Bombyx mori) w pudełku i trzymać je w inkubatorze do momentu wykwitu w 16-godzinnym: 8-godzinnym cyklu światło-ciemność w temperaturze 25 °C.
    UWAGA: Poczwarki męskie i żeńskie można rozróżnić na podstawie oznaczeń płci na brzuchu (ryc. 1B).
  3. Zbierz dorosłe samce po eklosji i przenieś je do nowego pudełka.
  4. Trzymaj dorosłe w inkubatorze w 16-godzinnym cyklu światło:ciemność i zmniejsz temperaturę do 15 °C, aby zmniejszyć ich aktywność przed eksperymentem.

2. Uwiązywanie jedwabnej

  1. Wykonanie przystawki do wiązania na uwięzi (rysunek 2A)
    nuta: Nasadka składa się z drutu miedzianego z paskiem cienkiego arkusza tworzywa sztucznego na jego końcu. Zapewnia to grzbietowo-brzuszny ruch klatki piersiowej podczas chodzenia (ryc. 2B).
    1. Przygotuj pasek cienkiego arkusza tworzywa sztucznego o grubości od 2 × 40 mm (grubość: 0,1 mm) i złóż go na środku.
    2. Przymocuj złożony pasek do końcówki drutu miedzianego za pomocą kleju.
    3. Zegnij końcówkę złożonego paska, do którego przymocowana jest klatka piersiowa jedwabnej.
  2. Do eksperymentu użyj dorosłych ciem (w wieku 2-8 dni) w okresie świetlnym.
    nuta: Wrażliwość na feromon silnie zależy od zegara okołodobowego18. Ponieważ B. mori jest dzienną, eksperyment musi być przeprowadzony w okresie światła.
  3. Delikatnie usuń wszystkie łuski z grzbietowej klatki piersiowej (mesonotum) za pomocą kawałka mokrej chusteczki (lub wacika) i odsłoń naskórek mesonotum (ryc. 2C).
  4. Wklej klej na pasek plastiku na nasadce i na powierzchnię odsłoniętego mesonotum za pomocą małego płaskiego śrubokręta i odczekaj 5-10 minut, aż klej przestanie być lepki.
    nuta: Klej nie powinien dotykać zawiasu skrzydła ani teguli przedniego skrzydła (rysunek 2C).
  5. Przymocuj mesonotum do przyczepu.
  6. Trzymaj na uwięzi przed umieszczeniem jej w kokpicie robota. Przytrzymaj nasadkę na stojaku i połóż kawałek papieru pod nogami, aby odpocząć.

3. Robot sterowany przez owady

  1. Zaprojektuj osprzęt robota sterowanego owadami na podstawie wcześniejszych prac16,17,19.
    nuta: Robot sterowany przez owady składa się z napędzanej powietrzem bieżni z optycznym czujnikiem myszy do wychwytywania ruchu owadów, specjalnie zbudowanych płytek mikrokontrolera opartych na AVR do przetwarzania i sterowania silnikiem oraz dwóch bezszczotkowych silników prądu stałego (ilustracje 3 i 4). Robot może pracować w oparciu o obrót piłki z precyzją 96% lub wyższą, z opóźnieniem czasowym 200 ms. Zapewnia również mobilność maksymalnej prędkości do przodu (24,8 mm/s) i prędkości kątowej (96,3°/s) jedwabnika podczas śledzenia feromonów16. Przepływ powietrza w bieżni (rysunek 5A) i system dostarczania zapachów (rysunek 5B) są zaprojektowane tak, aby pokładowa mogła płynnie chodzić po piłce i nabierać zapachu za pomocą dwóch anten. Kanał wlotu i przepływu powietrza bieżni jest oddzielony od kanałów systemu dostarczania zapachów, aby uniknąć zanieczyszczenia feromonu.
  2. Zaprojektuj oprogramowanie dla mikrokontrolerów pokładowych w oparciu o wcześniejsze prace16.
    nuta: Wbudowany mikrokontroler oblicza ruchy robota na podstawie lokomocji owadów mierzonej za pomocą czujnika optycznego (obrotowe, Δx; translacyjne, Δy; Rysunek 6). Odległość przesuwu (ΔL) i kąt skrętu (Δθ) w jednostce czasu robota oblicza się na podstawie odległości przesuwu każdego koła (lewy, ΔLL; prawy, ΔLR), np. ΔL = (ΔLL + ΔLR) / 2 i Δθ = (ΔLL - ΔLR) / Dkoła, gdzie koło Doznacza odległość między dwoma kołami (120 mm). ΔLL i ΔLR są dalej opisane jako ΔLL = ΔLx,L + ΔLy,L i ΔLR = ΔLx,R + ΔLy,R, gdzie ΔLx,L i ΔLx,R są odległościami przesuwu kół po lewej i prawej stronie kontrolowanymi przez Δx, i ΔLy,L i ΔLy,R są kontrolowane przez Δy. Idealnie, ΔLx,L i ΔLx,R są opisane jako ΔLx,L = -ΔLx,R = G Δx (koło D / kula D), a ΔLy,L i ΔLy,R są opisane jako ΔLy,L = ΔLy,R = G Δy, gdzie G to zysk silnika, a Dkula to średnica kuli (50 mm). W praktyce wzmocnienie silnika jest ustawiane niezależnie z każdej strony (lewe lub prawe koło) i według każdego kierunku (obrót do przodu lub do tyłu), tak aby skalibrować ruch robota. Niezależne wzmocnienia pozwalają ponadto na ustawienie asymetrycznych obrotów silnika w celu wygenerowania odchylenia skrętu robota (patrz krok 6.1).
  3. Umyj powierzchnię białej kulki z polistyrenu ekspandowanego (masa: około 2 g; średnica: 50 mm) wodą, aby usunąć wszelkie możliwe sygnały węchowe lub wizualne.
    nuta: Powierzchnię nowej piłki należy zszorstkować drobnoziarnistym papierem ściernym, takim jak P400, który zapewnia przyczepność nóg do piłki.
  4. Włącz wentylator dmuchawy, który dostarcza powietrze o napięciu 9 V do bieżni i unosi piłkę (Rysunek 5A). Obserwuj pływak kulowy około 2 mm od dna kubka.
  5. Za pomocą przymocuj miedziany drut nasadki z (patrz krok 2) do uchwytu w kokpicie robota (patrz wstawka na rysunku 3). Upewnij się, że środkowe nogi znajdują się na środku piłki (Rysunek 7A).
  6. Dostosuj pionową pozycję nasadki, aby mogła normalnie chodzić po piłce. Trzymaj piłkę na tej samej wysokości przed i po przymocowaniu (Rysunek 7B).
    nuta: Zbyt niska pozycja nasadki zwiększa nacisk na i wywołuje chodzenie do tyłu, aby oprzeć się naciskowi (rysunek 7C), podczas gdy zbyt wysoka pozycja powoduje niestabilny chód i awarie czujnika z powodu zmian pionowego położenia piłki (rysunek 7D). Aby sprawdzić normalne zachowanie podczas chodzenia, stosuje się pojedynczy bodźce feromonowy, aby wywołać chodzenie w (dla bodźca feromonowego, patrz krok 4). Należy zauważyć, że bodziec testowy musi być minimalny, ponieważ wcześniejsza ekspozycja na bombykol przyzwyczaja jedwabne i zmniejsza ich wrażliwość (Matsuyama i Kanzaki, dane niepublikowane).

4. Przygotowanie źródła zapachu

Uwaga: Samce B. mori są wrażliwe na główny składnik żeńskiego feromonu płciowego (bombykol: (E,Z)-10,12-heksadekadien-1-ol)20. Każde zanieczyszczenie aparatury doświadczalnej bombykolem wywołuje zachowanie śledzące zapach i wpływa na reakcję.

  1. Upuść 10 μl roztworu bombykolu rozpuszczonego w n-heksanie (200 ng/μl) na kawałek bibuły filtracyjnej (około 10 mm × 10 mm). Ilość bombykolu na kawałek bibuły filtracyjnej wynosi 2 000 ng.
    nuta: Aby sprawdzić normalne zachowanie podczas chodzenia, przygotuj na tym etapie wkład z bodźcem feromonowym. Wkład jest szklaną pipetą Pasteura z jednym kawałkiem bibuły filtracyjnej zawierającym 2,000 ng bombykolu. Wciśnięcie żarówki powoduje zaciągnięcie się powietrzem zawierającym bombykol.

5. Eksperyment z lokalizacją źródła zapachu

  1. Włącz wentylator tunelu aerodynamicznego z zasysanym powietrzem (1 800 × 900 × 300 mm, dł. × szer. × wys.; Rysunek 8) i ustaw prędkość wiatru na 0,7 m/sek. Upewnij się, że temperatura jest wyższa niż 20 °C.
  2. Ustaw źródło zapachu (kawałek bibuły filtracyjnej zawierającej bombykol) przed tunelem aerodynamicznym.
    nuta: Szerokość pióropusza powinna zostać potwierdzona przed eksperymentem za pomocą TiCl417,19.
  3. Włącz płytkę mikrokontrolera robota i nawiąż połączenie szeregowe z komputerem przez Bluetooth.
  4. Uruchom niestandardowy program Java o nazwie "BioSignal", który zapewnia interfejs między komputerem a robotem.
    nuta: W oknie głównym znajdują się przyciski do wysyłania poleceń do robota, okna tekstowe do wyświetlania wejścia i wyjścia komunikacji szeregowej oraz małe pola do konfiguracji parametrów. Kolejne polecenia są wysyłane poprzez kliknięcie odpowiednich przycisków w tym programie, z wyjątkiem przechwytywania wideo.
  5. Kliknij przycisk "o urządzeniu", aby potwierdzić połączenie, wysyłając polecenie do robota przez określony port COM i sprawdź, czy robot zwrócił komunikat.
  6. Kliknij przycisk "kasowanie pamięci", aby usunąć poprzednie dane dotyczące lokomocji pozostawione we wbudowanej pamięci flash.
  7. Kliknij przycisk "drivemode1", aby wysłać domyślne zyski silnika do robota.
    nuta: Po tym kroku stosuje się manipulacje wzmocnieniami silnika i opóźnieniem czasowym między lokomocją, a ruchem robota (patrz kroki 6.1 i 6.3, rysunek 9).
  8. Kliknij przycisk "nie jedź", aby wysłać polecenie unieruchomienia robota do czasu rozpoczęcia eksperymentu.
  9. Ustaw robota w pozycji startowej (600 mm w dół od źródła zapachu) i włącz przełącznik na płycie sterownika silnika.
  10. Naciśnij przycisk nagrywania na kamerze, aby rozpocząć nagrywanie wideo.
  11. Kliknij przycisk "rec start", aby wysłać polecenie startu w celu uruchomienia robota z jednoczesnym zapisem obrotu piłki na pokładzie pamięci flash. Obserwuj, że robot zaczyna się poruszać i śledzi pióropusz zapachu.
  12. Kliknij przyciski "rec stop" i "don't drive", aby wysłać polecenia zatrzymania zarówno ruchu robota, jak i nagrywania, jeśli robot zlokalizuje źródło zapachu.
  13. Naciśnij przycisk nagrywania na kamerze, aby zatrzymać nagrywanie wideo.
  14. Pobieranie zarejestrowanych danych o lokomocji z wbudowanej pamięci flash do komputera za pośrednictwem połączenia szeregowego. Zamknij program.

6. Manipulacja robotem sterowanym przez owady

Uwaga: Czas każdej manipulacji jest wskazany na rysunku 9.

  1. Manipulacja zyskami motorycznymi
    nuta: Ta manipulacja zmienia prędkość translacyjną i obrotową robota. Asymetryczne wzmocnienia motoryczne generują odchylenie skrętu, które można wykorzystać do zbadania, w jaki sposób owady kompensują odchylenie17.
    1. Zdefiniuj wzmocnienia obrotowe dla obrotów silnika do przodu i do tyłu z każdej strony17 (Rysunek 6B), edytując plik konfiguracyjny o nazwie "param2.txt" za pomocą edytora tekstu.
    2. Kliknij na "ustaw param2", aby odczytać edytowany plik konfiguracyjny w programie. Następnie kliknij "drivemode2", aby wysłać zmanipulowane zyski do robota.
  2. Odwrócenie wyjścia silnika
    nuta: Ta manipulacja zapewnia stan podobny do odwrócenia obustronnego bodźca węchowego (patrz krok 6.4) i może być wykorzystana do zbadania znaczenia obustronnego węchu. Jednak odwrócenie mocy silnika również odwraca samoindukowany ruch wzrokowy pokładowej. Wpływ odwróconego samodzielnie wywołanego bodźca wzrokowego można ocenić przez porównanie z odwróconym bodźcem węchowym19.
    1. Odwróć obustronne sterowanie silnikiem, krzyżując sterujące dla każdego silnika.
  3. Manipulowanie opóźnieniem czasowym między lokomocją, jazdą owadów a ruchem robota.
    nuta: Manipulacja ta pozwala na zbadanie dopuszczalnego okresu czasu spędzonego na przetwarzaniu czuciowo-motorycznym dla zrobotyzowanego śledzenia zapachów. Mikrokontroler przechowuje dane o lokomocji w pamięci buforowej, a następnie przetwarza je po określonym opóźnieniu czasowym. Należy pamiętać, że robot ma maksymalne wewnętrzne opóźnienie czasowe wynoszące 200 ms; W związku z tym oczekuje się, że rzeczywiste opóźnienie czasowe będzie równe określonemu opóźnieniu czasowemu plus 200 ms16,17.
    1. Wprowadź liczbę (od 0 do 10) w małym polu okna głównego, aby określić opóźnienie czasowe od 0 do 1 000 ms w krokach co 100 ms.
    2. Kliknij przycisk "ustaw opóźnienie", aby zastosować opóźnienie czasowe.
  4. Manipulacja bodźcem węchowym.
    nuta: Manipulacja ta może być wykorzystana do zbadania znaczenia obustronnych bodźców węchowych. Kierunek fali jedwabników jest odchylony po stronie wyższego stężenia22.
    1. Zmień szczelinę między końcówkami rur ssących lub odwróć ich położenie, aby zmienić różnicę w stężeniu zapachu uzyskanym przez każdą antenę.
  5. Manipulacja danymi wejściowymi wizualnymi
    nuta: Manipulacja ta ma na celu zbadanie roli wizualnych danych wejściowych w śledzeniu zapachu.
    1. Przykryj baldachim białym papierem, który zasłania odpowiednio 105° i 90° poziomego i pionowego pola widzenia pokładowej.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

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

Przedstawiamy tutaj podstawowe cechy robota sterowanego przez owady, niezbędne do pomyślnej lokalizacji źródła zapachu. Zbadano porównanie robota i jedwabników, skuteczność systemu dostarczania zapachów oraz znaczenie dokładnych obustronnych danych węchowych i wizualnych.

Porównanie zachowań związanych z tropieniem zapachu między swobodnie chodzącymi a robotem sterowanym przez owady pokazano na rysunkach 10A i

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

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

Najważniejszymi punktami dla skutecznego sterowania robotem przez jedwabnik są umożliwienie płynnego chodzenia po piłce podpartej powietrzem i stabilny pomiar obrotu piłki. Dlatego przywiązanie jedwabnej i zamontowanie jej na piłce w odpowiedniej pozycji są krytycznymi krokami w tym protokole. Niewłaściwe przyleganie do mocowania lub niewłaściwe ułożenie na piłce spowoduje nienaturalny nacisk na nią, co zaburzy jej normalne zachowanie podczas chodzenia i/lub spowoduje awarię czujnika optycznego do pomiaru obrotu piłki. S...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

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

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Acknowledgements

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

Dziękujemy Shigeru Matsuyamie za dostarczenie oczyszczonego bombykolu. Prace te były wspierane przez Japońskie Towarzystwo Promocji Nauki KAKENHI (granty o numerach 22700197 i 24650090) oraz Human Frontier Science Program (HFSP).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Samiec dorosłego jedwabnika (Bombyx mori)Z jaj lub kup jako poczwarki.
InkubatorPanasonicMIR-254Przechowuj poczwarki lub dorosłe jedwabne w stałej temperaturze, 238 L.
Plastikowe pudełkoSunplatecO-3Przechowuj poczwarki lub dorosłe jedwabniki, 299 &razy; 224 &razy; 62 mm L & razy; W i czasy; H.
Drutmiedziany o średnicy 2 mm do mocowania. Każdy sztywny pręt może być użyty jako alternatywa do wykonania przystawki do uwięzi jedwabnej. 
Arkusz plastikowyKokuyoVF-1420NSprzedawany jako folia do rzutnika o grubości 0,1 mm. Użyć na końcówce nasadki.
KleszczeJako jeden5SAUsuń łuski na klatce piersiowej.
KlejKonishiG17Połącz jedwabną z nasadką.
Robot sterowany przez owadyCustomBearing z bieżnią wspomaganą powietrzem, czujnikiem optycznym, specjalnie zbudowanymi płytkami mikrokontrolera opartymi na AVR i dwoma bezszczotkowymi silnikami prądu stałego. Jest zasilany przez 8 & razy; AA i 3 i razy; Baterie 006P.
Mikrokontroler AtmelATMEGA8Element robota sterowanego przez owady.
Dmuchawa prądu stałegoNidecA34342-55Element robota sterowanego przez owady do unoszenia piłki w bieżni pneumatycznej.
Wentylator prądu stałegoMinebea1606KL-04W-B50Element robota sterowanego przez owady do zasysania powietrza zawierającego zapach.
Optyczny czujnik myszyAgilent technologiesHDNS-2000Element robota sterowanego przez owady, uzyskany z myszy optycznej (M-GUWSRSV, Elecom, Japonia).
Silnik bezszczotkowyMaxonEC-45Element robota sterowanego przez owady do napędzania koła.
Biała kulkaElement robota sterowanego przez owady. Średnica 50 mm, masa około 2 g.
Bombykol:
(E,Z)-10,12-hexadecadien-1-ol
Shin-Etsu chemicznasynteza niestandardowa
n-heksanWako085-00416Rozpuszczalnik do bombykolu.
Tunel aerodynamicznyNiestandardowytyp zasysania powietrza, o rozmiarach 1,800 &razy; 900 &razy; 300 mm L & razy; W i czasy; H.
Program BioSignalNiestandardowyProgram do nawiązywania komunikacji szeregowej między robotem sterowanym przez owady a komputerem PC przez Bluetooth. Służy do wysyłania poleceń uruchomienia/zatrzymania robota lub konfiguracji właściwości jego silnika. 
KameraSonyHDR-XR520VRejestruj ruchy robota.
polistyrenowa .

References

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Murlis, J., Jones, C. D. Fine-scale structure of odor plumes in relation to insect orientation to distant pheromone and other attractant sources. Physiol Entomol. 6, 71-86 (1981).
  2. Vergassola, M., Villermaux, E., Shraiman, B. I. 'Infotaxis' as a strategy for searching without gradients. Nature. 445, 406-409 (2007).
  3. Kowadlo, G., Russell, R. A. Robot Odor Localization: A Taxonomy and Survey. The International Journal of Robotics Research. 27, 869-894 (2008).
  4. Hernandez Bennetts, V., Lilienthal, A. J., Neumann, P. P., Trincavelli, M. Mobile robots for localizing gas emission sources on landfill sites: is bio-inspiration the way to go. Frontiers in neuroengineering. 4, 20(2011).
  5. Vickers, N. J. Mechanisms of animal navigation in odor plumes. Biol Bull. 198, 203-212 (2000).
  6. Willis, M. A. Chemical plume tracking behavior in animals and mobile robots. Navigation. 55, 127-135 (2008).
  7. Carde, R. T., Willis, M. A. Navigational strategies used by insects to find distant, wind-borne sources of odor. J Chem Ecol. 34, 854-866 (2008).
  8. Frye, M. A. Multisensory systems integration for high-performance motor control in flies. Curr Opin Neurobiol. 20, 347-352 (2010).
  9. Russell, R. A. Survey of robotic applications for odor-sensing technology. The International Journal of Robotics Research. 20, 144-162 (2001).
  10. Russell, R. A., Bab-Hadiashar, A., Shepherd, R. L., Wallace, G. G. A comparison of reactive robot chemotaxis algorithms. Robot Auton Syst. 45, 83-97 (2003).
  11. Ishida, H., Nakamoto, T., Moriizumi, T., Kikas, T., Janata, J. Plume-tracking robots: a new application of chemical sensors. Biol Bull. 200, 222-226 (2001).
  12. Webb, B., Harrison, R. R., Willis, M. A. Sensorimotor control of navigation in arthropod and artificial systems. Arthropod Struct Dev. 33, 301-329 (2004).
  13. Kanzaki, R. How does a microbrain generate adaptive behavior. Int Congr Ser. 1301, 7-14 (2007).
  14. Kanzaki, R., Ando, N., Sakurai, T., Kazawa, T. Understanding and reconstruction of the mobiligence of insects employing multiscale biological approaches and robotics. Adv Robotics. 22, 1605-1628 (2008).
  15. Ravel, N., et al. Multiphasic on/off pheromone signalling in moths as neural correlates of a search strategy. Plos One. 8, 61220(2013).
  16. Emoto, S., Ando, N., Takahashi, H., Kanzaki, R. Insect-controlled robot-evaluation of adaptation ability. J Robot Mechatronics. 19, 436-443 (2007).
  17. Ando, N., Emoto, S., Kanzaki, R. Odour-tracking capability of a silkmoth driving a mobile robot with turning bias and time delay. Bioinspir Biomim. 8, 016008(2013).
  18. Gatellier, L., Nagao, T., Kanzaki, R. Serotonin modifies the sensitivity of the male silkmoth to pheromone. J Exp Biol. 207, 2487-2496 (2004).
  19. Ando, N., Kanzaki, R. A simple behaviour provides accuracy and flexibility in odour plume tracking - the robotic control of sensory-motor coupling in silkmoths. J. Exp. Biol. 218, 3845-3854 (2015).
  20. Kaissling, K. E. Insect olfaction. Handbook of Sensory Physiology Vol. 4. Beidler, L. M. , Springer-Verlag. 351-431 (1971).
  21. Kanzaki, R., Sugi, N., Shibuya, T. Self-generated zigzag turning of Bombyx mori males during pheromone-mediated upwind walking. Zool Sci. 9, 515-527 (1992).
  22. Takasaki, T., Namiki, S., Kanzaki, R. Use of bilateral information to determine the walking direction during orientation to a pheromone source in the silkmoth Bombyx mori. J Comp Physiol. A. 198, 295-307 (2012).
  23. Kanzaki, R. Coordination of wing motion and walking suggests common control of zigzag motor program in a male silkworm moth. J Comp Physiol A. 182, 267-276 (1998).
  24. Pansopha, P., Ando, N., Kanzaki, R. Dynamic use of optic flow during pheromone tracking by the male silkmoth, Bombyx mori. J Exp Biol. 217, 1811-1820 (2014).
  25. Loudon, C., Koehl, M. A. R. Sniffing by a silkworm moth: Wing fanning enhances air penetration through and pheromone interception by antennae. J. Exp. Biol. 203, 2977-2990 (2000).
  26. Lebedev, M. A., Nicolelis, M. A. L. Brain-machine interfaces: past, present and future. Trends Neurosci. 29, 536-546 (2006).
  27. Ejaz, N., Peterson, K. D., Krapp, H. G. An experimental platform to study the closed-loop performance of brain-machine interfaces. Journal of visualized experiments : JoVE. , (2011).
  28. Minegishi, R., Takashima, A., Kurabayashi, D., Kanzaki, R. Construction of a brain-machine hybrid system to evaluate adaptability of an insect. Robot Auton Syst. 60, 692-699 (2012).
  29. Martinez, D., Arhidi, L., Demondion, E., Masson, J. B., Lucas, P. Using insect electroantennogram sensors on autonomous robots for olfactory searches. Journal of visualized experiments : JoVE. , e51704(2014).
  30. Ortiz, L. I. A mobile electrophysiology board for autonomous biorobotics. , The University of Arizona. MS thesis (2006).
  31. Bohil, C. J., Alicea, B., Biocca, F. A. Virtual reality in neuroscience research and therapy. Nat Rev Neurosci. 12, 752-762 (2011).
  32. Dombeck, D. A., Reiser, M. B. Real neuroscience in virtual worlds. Curr Opin Neurobiol. 22, 3-10 (2012).
  33. Roth, E., Sponberg, S., Cowan, N. J. A comparative approach to closed-loop computation. Curr Opin Neurobiol. 25, 54-62 (2014).
  34. Leinweber, M., et al. Two-photon calcium imaging in mice navigating a virtual reality environment. Journal of visualized experiments : JoVE. , e50885(2014).
  35. Takalo, J., et al. A fast and flexible panoramic virtual reality system for behavioural and electrophysiological experiments. Sci Rep. 2, 324(2012).
  36. Bahl, A., Ammer, G., Schilling, T., Borst, A. Object tracking in motion-blind flies. Nat Neurosci. 16, 730-738 (2013).
  37. Bellmann, D., et al. Optogenetically Induced olfactory stimulation in Drosophila larvae reveals the neuronal basis of odor-aversion behavior. Front Behav Neurosci. 4, 27(2010).
  38. Gaudry, Q., Hong, E. J., Kain, J., de Bivort, B. L., Wilson, R. I. Asymmetric neurotransmitter release enables rapid odour lateralization in Drosophila. Nature. 493, 424-428 (2013).
  39. Tabuchi, M., et al. Pheromone responsiveness threshold depends on temporal integration by antennal lobe projection neurons. Proc Natl Acad Sci U S A. 110, 15455-15460 (2013).
  40. Schulze, A., et al. Dynamical feature extraction at the sensory periphery guides chemotaxis. Elife. 4, 06694(2015).
  41. Duistermars, B. J., Chow, D. M., Frye, M. A. Flies require bilateral sensory input to track odor gradients in flight. Curr Biol. 19, 1301-1307 (2009).
  42. Gomez-Marin, A., Duistermars, B. J., Frye, M. A., Louis, M. Mechanisms of odor-tracking: multiple sensors for enhanced perception and behavior. Front Cell Neurosci. 4, 6(2010).
  43. Sakurai, T., et al. A single sex pheromone receptor determines chemical response specificity of sexual behavior in the silkmoth Bombyx mori. Plos Genet. 7, (2011).
  44. Tripathy, S. J., et al. Odors pulsed at wing beat frequencies are tracked by primary olfactory networks and enhance odor detection. Front Cell Neurosci. 4, 1(2010).
  45. Daly, K. C., Kalwar, F., Hatfield, M., Staudacher, E., Bradley, S. P. Odor detection in Manduca sexta is optimized when odor stimuli are pulsed at a frequency matching the wing beat during flight. Plos One. 8, 81863(2013).
  46. Szyszka, P., Gerkin, R. C., Galizia, C. G., Smith, B. H. High-speed odor transduction and pulse tracking by insect olfactory receptor neurons. Proc Natl Acad Sci USA. 111, 16925-16930 (2014).
  47. Harvey, D., Lu, T. F., Keller, M. Odor sensor requirements for an insect inspired plume tracking mobile robot. Proceedings of'The 2006 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics. , 130-135 (2006).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Insect controlled RobotOdor tracking CapabilitySilkmoth ControllerMobile Robot PlatformAir supported BallOptical Sensor MeasurementWind Tunnel SetupPheromone StimulationMotor Gain ManipulationOlfactory Input Alteration

Related Articles