Robot sterowany przez owady: mobilna platforma robota do oceny zdolności owadów do śledzenia zapachów
December 19th, 2016
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.
Ogólnym celem tego eksperymentu jest ocena zdolności owadów do śledzenia zapachów używanych jako kontroler robota mobilnego. Metoda ta może rozwiązać kluczowe wyzwania w dziedzinie biomedycyny, takie jak wykorzystanie owadów w biomimetycznej nawigacji robotów mobilnych. Główną zaletą tej techniki jest to, że możemy bezpośrednio wykorzystać owada jako kontrolera robota mobilnego i ocenić jego zdolność do znalezienia źródła zapachu.
Implikacje tej techniki rozciągają się w kierunku zrozumienia mechanizmów biologicznych stojących za innymi zachowaniami, ponieważ badacze mogą zmienić relację czuciowo-motoryczną owada pokładowego poprzez manipulację robotyczną. Aby rozpocząć eksperyment, najpierw wybierz dorosłego jedwabnika w wieku od dwóch do ośmiu dni. Delikatnie usuń wszystkie łuski z mesonoka za pomocą kawałka mokrej chusteczki lub bawełnianego wacika, aby odsłonić naskórek.
Wklej klej na pasek plastiku na końcu nasadki. Następnie wklej trochę kleju na powierzchnię odsłoniętego mesonotum, uważając, aby nie dotknąć zawiasu skrzydła ani tegulae przedniego skrzydła. Odczekaj od pięciu do dziesięciu minut, aż klej przestanie być lepki.
Przymocuj mesonotum do przyczepu. Utrzymuj na uwięzi, zakotwiczając nasadkę do stojaka. Umieść kawałek papieru pod nogami, aby mógł odpocząć.
Umyj powierzchnię białej, spienionej kulki polistyrenowej wodą, aby usunąć wszelkie możliwe sygnały węchowe lub wizualne. Następnie włącz wentylator, który dostarcza powietrze do bieżni. Kulka powinna unosić się około dwóch milimetrów nad dnem kubka.
Za pomocą przymocuj miedziany drut mocowania mola do uchwytu w kokpicie robota. Upewnij się, że jest umieszczona tak, aby środkowa para nóg znajdowała się na środku piłki. Utrzymując tę samą wysokość piłki, wyreguluj pionowe położenie nasadki, aby mogła normalnie chodzić po piłce.
W razie potrzeby wykonaj stymulację feromonami płciowymi na uwięzi, aby sprawdzić jej zachowanie podczas chodzenia. Sprawdzenie zachowania momy na uwięzi podczas chodzenia ma kluczowe znaczenie w odpowiedniej pozycji pionowej z jej nieregularnym zachowaniem lub zachowaniem odczytu wzrokowo-sensorycznego. Oba te czynniki mają bezpośredni wpływ na wynikający z tego ruch robota.
Włącz powietrze w tunelu aerodynamicznym z powietrzem ciągnącym i ustaw prędkość wiatru na 0,7 metra na sekundę. Upewnij się, że temperatura przekracza 20 stopni Celsjusza. Ustaw nawaniacz w środku pozycji bocznego wiatru i 25 centymetrów z wiatrem od panelu siatkowego.
Włącz płytkę mikrokontrolera robota i nawiąż połączenie szeregowe z komputerem przez Bluetooth. Uruchom interfejs programu BioSignal między komputerem a robotem. Kliknij na o urządzeniu"przycisk, aby potwierdzić połączenie, wysyłając polecenie do robota przez określony port COM, a następnie sprawdź, czy został zwrócony komunikat z robota.
Kliknij przycisk kasowania pamięci, aby usunąć wszelkie poprzednie dane dotyczące lokomocji z wbudowanej pamięci flash. Następnie naciśnij przycisk drivemode1", aby wysłać domyślne wzmocnienie silnika do robota. Kliknij nie jedź"aby wysłać polecenie do robota, aby unieruchomił się do czasu rozpoczęcia eksperymentu.
Ustaw robota w pozycji startowej 60 centymetrów w dół od źródła zapachu. Włącz przełącznik na płycie sterownika silnika. Następnie naciśnij przycisk nagrywania na kamerze, aby rozpocząć nagrywanie wideo.
Kliknij przycisk rozpoczęcia nagrywania, aby wysłać polecenie startowe, które zainicjuje robota i jednocześnie rozpocznie nagrywanie obrotu piłki do wbudowanej pamięci flash. Robot powinien zacząć się poruszać i śledzić pióropusz zapachu. Gdy robot zlokalizuje źródło zapachu lub nie zlokalizuje się w ciągu czterech minut, kliknij przycisk zatrzymania nagrywania"i nie jedź"przyciski, aby wysłać polecenia zatrzymania zarówno robota, jak i nagrywania.
Na koniec naciśnij przycisk nagrywania kamery, aby zatrzymać nagrywanie wideo. Prędkość obrotowa i translacyjna robota może być również modyfikowana w celu zbadania zdolności kompensacyjnych owada. Aby przetestować wpływ asymetrycznych wzmocnień silnika, najpierw zdefiniuj wzmocnienia obrotowe, edytując plik parametrów w edytorze tekstu.
W oprogramowaniu BioSignal kliknij na setparam2", aby odczytać edytowaną konfigurację. Następnie kliknij drivemode2", aby wysłać te zmanipulowane zyski do robota. Aby manipulować bodźcem węchowym, zmień szczelinę między końcówkami rurki ssącej.
Lub odwróć ich położenie, aby zmienić stężenie zapachu dostarczanego do każdej anteny. Wreszcie, dane wejściowe wizualne można zmodyfikować, pokrywając baldachim białym papierem, aby zasłaniać odpowiednio 150 stopni i 90 stopni poziomego i pionowego pola widzenia pokładowej. Porównanie zachowań związanych ze śledzeniem zapachów między swobodnie chodzącymi a robotem sterowanym przez owady jest pokazane tutaj.
W tych samych okolicznościach zapachowych zarówno chodzące, jak i roboty osiągnęły wskaźniki sukcesu na poziomie 100%Chociaż robot wykazywał szersze trajektorie w porównaniu z chodzącą, nie było znaczącej różnicy w czasie do lokalizacji zapachu. System dostarczania zapachów jest niezbędny do dostarczania przepływu odorantu do czułków uniesionej. Bez tego systemu robot nie mógł zorientować się w kierunku źródła zapachu i kontynuował krążenie, aż się zatrzymał.
Skuteczność obustronnego bodźca węchowego do śledzenia zapachu oceniono poprzez zmianę położenia końcówek rurek. W porównaniu ze standardową szczeliną między rurami sterującymi, roboty zostały zmodyfikowane tak, aby miały albo wąską szczelinę rurową, odwróconą szczelinę rurową, albo odwróconą moc wyjściową silnika. Robot osiągnął 100% sukces w obu warunkach szerokości szczeliny, bez znaczącej różnicy w czasie do lokalizacji.
I odwrotnie, odwrócenie końcówek rur poszerzyło trajektorie i wydłużyło czas do lokalizacji, choć nie znacząco. Wreszcie, w stanie odwróconego silnika, roboty krążyły w sposób ciągły, co znacznie wydłużyło czas do lokalizacji. Po opanowaniu, wdrożenie jedwabnej do opuszczonego kokpitu można wykonać w ciągu dziesięciu minut, jeśli zostanie wykonane prawidłowo.
Próbując wykonać tę procedurę, należy pamiętać o delikatnym obchodzeniu się z jedwabną przez cały czas trwania operacji, aby uniknąć niepotrzebnych uszkodzeń. Zgodnie z tą procedurą, długotrwały eksperyment może zostać przeprowadzony w celu uzyskania odpowiedzi na dodatkowe pytania dotyczące mechanizmów stojących za zachowaniami adaptacyjnymi, takimi jak to, czy owady mogą nauczyć się pilotować manipulowane ciało robota. Po opracowaniu technika ta utorowała drogę naukowcom z dziedziny neuronauki i robotyki do zbadania mechanizmów zachowań adaptacyjnych i zastosowania do sterowania autonomicznymi robotami.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Przegląd
To badanie ocenia zdolność śledzenia zapachu u owada, konkretnie u jedwabnika, jako kontrolera dla robota mobilnego. Wyniki mogą mieć zastosowanie do nawigacji biomimetycznej w robotyce i zrozumienia relacji sensoryczno-ruchowych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauki
- Robotyka
- Biomimetyka
Tło
- Owady rozwinęły wyszukane mechanizmy lokalizacji zapachu.
- Rozumienie tych mechanizmów może poprawić nawigację robotyczną.
- Wykorzystanie owadów jako kontrolerów oferuje unikalne podejście do badania zachowania.
- Jedwabniki zostały wybrane ze względu na ich skuteczne zdolności do śledzenia zapachu.
Cel badania
- Ocenić zdolność jedwabników do kierowania robotem mobilnym w stronę źródła zapachu.
- Zbadać potencjalne zastosowania w biomedycynie i robotyce.
- Zbadać relację sensoryczno-ruchową poprzez manipulację robotem.
Zastosowane metody
- Selekcja dorosłych jedwabników w wieku od dwóch do ośmiu dni.
- Przygotowanie jedwabnika poprzez usunięcie łusek na mezonotum.
- Wykorzystanie robota mobilnego sterowanego przez owada.
- Ocena zdolności robota do śledzenia zapachów na podstawie reakcji owada.
Główne wyniki
- Jedwabnik z powodzeniem kierował robotem w stronę źródła zapachu.
- Manipulacja robotem zmieniła relację sensoryczno-ruchową owada.
- Metoda wykazała potencjał dla dalszych badań nad nawigacją biomimetyczną.
- Wyniki przyczyniają się do zrozumienia biologicznych mechanizmów zachowania owadów.
Wnioski
- To badanie podkreśla wykonalność stosowania owadów w nawigacji robotycznej.
- Otwiera możliwości badań zarówno w dziedzinie robotyki, jak i neuronauki.
- Przyszłe badania mogą opierać się na tych wynikach, aby poprawić systemy robotyczne.
Często zadawane pytania
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
