Name: Robot sterowany przez owady: mobilna platforma robota do oceny zdolności owadów do śledzenia zapachów (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-12-19T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min
Description: Poznaj metodę oceny zdolności śledzenia zapachów przez ćmę jedwabniczkę jako kontrolera robota mobilnego. Technika ta umożliwia badanie relacji sensoryczno-motorycznych i nawigacji biomimetycznej.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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).

1. Zwierzę doświadczalne
<ol>
	<li>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).</li>
	<li>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).</li>
	<li>Zbierz dorosłe samce po eklosji i przenieś je do nowego pudełka.</li>
	<li>Trzymaj dorosłe w inkubatorze w 16-godzinnym cyklu światło:ciemność i zmniejsz temperaturę do 15 °C, aby zmniejszyć ich aktywność przed eksperymentem.</li>
</ol>
2. Uwiązywanie jedwabnej
<ol>
	<li>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).
	<ol>
		<li>Przygotuj pasek cienkiego arkusza tworzywa sztucznego o grubości od 2 × 40 mm (grubość: 0,1 mm) i złóż go na środku.</li>
		<li>Przymocuj złożony pasek do końcówki drutu miedzianego za pomocą kleju.</li>
		<li>Zegnij końcówkę złożonego paska, do którego przymocowana jest klatka piersiowa jedwabnej.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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.</li>
	<li>Delikatnie usuń wszystkie łuski z grzbietowej klatki piersiowej (mesonotum) za pomocą kawałka mokrej chusteczki (lub wacika) i odsłoń naskórek mesonotum (ryc. 2C).</li>
	<li>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).</li>
	<li>Przymocuj mesonotum do przyczepu.</li>
	<li>Trzymaj na uwięzi przed umieszczeniem jej w kokpicie robota. Przytrzymaj nasadkę na stojaku i połóż kawałek papieru pod nogami, aby odpocząć.</li>
</ol>
3. Robot sterowany przez owady
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>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).</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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).</li>
	<li>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).</li>
</ol>
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.
<ol>
	<li>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.</li>
</ol>
5. Eksperyment z lokalizacją źródła zapachu
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>Ustaw źródło zapachu (kawałek bibuły filtracyjnej zawierającej bombykol) przed tunelem aerodynamicznym. 
	nuta: Szerokość pióropusza powinna zostać potwierdzona przed eksperymentem za pomocą TiCl417,19.</li>
	<li>Włącz płytkę mikrokontrolera robota i nawiąż połączenie szeregowe z komputerem przez Bluetooth.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Kliknij przycisk "o urządzeniu", aby potwierdzić połączenie, wysyłając polecenie do robota przez określony port COM i sprawdź, czy robot zwrócił komunikat.</li>
	<li>Kliknij przycisk "kasowanie pamięci", aby usunąć poprzednie dane dotyczące lokomocji pozostawione we wbudowanej pamięci flash.</li>
	<li>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).</li>
	<li>Kliknij przycisk "nie jedź", aby wysłać polecenie unieruchomienia robota do czasu rozpoczęcia eksperymentu.</li>
	<li>Ustaw robota w pozycji startowej (600 mm w dół od źródła zapachu) i włącz przełącznik na płycie sterownika silnika.</li>
	<li>Naciśnij przycisk nagrywania na kamerze, aby rozpocząć nagrywanie wideo.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Kliknij przyciski "rec stop" i "don't drive", aby wysłać polecenia zatrzymania zarówno ruchu robota, jak i nagrywania, jeśli robot zlokalizuje źródło zapachu.</li>
	<li>Naciśnij przycisk nagrywania na kamerze, aby zatrzymać nagrywanie wideo.</li>
	<li>Pobieranie zarejestrowanych danych o lokomocji z wbudowanej pamięci flash do komputera za pośrednictwem połączenia szeregowego. Zamknij program.</li>
</ol>
6. Manipulacja robotem sterowanym przez owady
Uwaga: Czas każdej manipulacji jest wskazany na rysunku 9.
<ol>
	<li>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.
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>Kliknij na "ustaw param2", aby odczytać edytowany plik konfiguracyjny w programie. Następnie kliknij "drivemode2", aby wysłać zmanipulowane zyski do robota.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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.
	<ol>
		<li>Odwróć obustronne sterowanie silnikiem, krzyżując sterujące dla każdego silnika.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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.
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>Kliknij przycisk "ustaw opóźnienie", aby zastosować opóźnienie czasowe.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Manipulacja bodźcem węchowym. 
	nuta: Manipulacja ta może być wykorzystana do zbadania znaczenia obustronnych bodźców węchowych. Kierunek fali jedwabników jest odchylony po stronie wyższego stężenia22.
	<ol>
		<li>Zmień szczelinę między końcówkami rur ssących lub odwróć ich położenie, aby zmienić różnicę w stężeniu zapachu uzyskanym przez każdą antenę.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Manipulacja danymi wejściowymi wizualnymi 
	nuta: Manipulacja ta ma na celu zbadanie roli wizualnych danych wejściowych w śledzeniu zapachu.
	<ol>
		<li>Przykryj baldachim białym papierem, który zasłania odpowiednio 105° i 90° poziomego i pionowego pola widzenia pokładowej.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

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

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

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...

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.

<table><tbody><tr><td>Samiec dorosłego jedwabnika (Bombyx mori)</td><td></td><td></td><td>Z jaj lub kup jako poczwarki.</td></tr><tr><td>Inkubator</td><td>Panasonic</td><td>MIR-254</td><td>Przechowuj poczwarki lub dorosłe jedwabne w stałej temperaturze, 238 L.</td></tr><tr><td>Plastikowe pudełko</td><td>Sunplatec</td><td>O-3</td><td>Przechowuj poczwarki lub dorosłe jedwabniki, 299 &razy; 224 &razy; 62 mm L & razy; W i czasy; H.</td></tr><tr><td>Drut</td><td></td><td></td><td>miedziany o średnicy 2 mm do mocowania. Każdy sztywny pręt może być użyty jako alternatywa do wykonania przystawki do uwięzi jedwabnej.&nbsp;</td></tr><tr><td>Arkusz plastikowy</td><td>Kokuyo</td><td>VF-1420N</td><td>Sprzedawany jako folia do rzutnika o grubości 0,1 mm. Użyć na końcówce nasadki.</td></tr><tr><td>Kleszcze</td><td>Jako jeden</td><td>5SA</td><td>Usuń łuski na klatce piersiowej.</td></tr><tr><td>Klej</td><td>Konishi</td><td>G17</td><td>Połącz jedwabną z nasadką.</td></tr><tr><td>Robot sterowany przez owady</td><td>Custom</td><td></td><td>Bearing 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.</td></tr><tr><td></td><td>Mikrokontroler Atmel</td><td>ATMEGA8</td><td>Element robota sterowanego przez owady.</td></tr><tr><td>Dmuchawa prądu stałego</td><td>Nidec</td><td>A34342-55</td><td>Element robota sterowanego przez owady do unoszenia piłki w bieżni pneumatycznej.</td></tr><tr><td>Wentylator prądu stałego</td><td>Minebea</td><td>1606KL-04W-B50</td><td>Element robota sterowanego przez owady do zasysania powietrza zawierającego zapach.</td></tr><tr><td>Optyczny czujnik myszy</td><td>Agilent technologies</td><td>HDNS-2000</td><td>Element robota sterowanego przez owady, uzyskany z myszy optycznej (M-GUWSRSV, Elecom, Japonia).</td></tr><tr><td>Silnik bezszczotkowy</td><td>Maxon</td><td>EC-45</td><td>Element robota sterowanego przez owady do napędzania koła.</td></tr><tr><td>Biała kulka</td><td></td><td></td> polistyrenowa <td>Element robota sterowanego przez owady. Średnica 50 mm, masa około 2 g.</td></tr><tr><td>Bombykol: (E,Z)-10,12-hexadecadien-1-ol</td><td>Shin-Etsu chemiczna</td><td>synteza niestandardowa</td><td></td>.</tr><tr><td>n-heksan</td><td>Wako</td><td>085-00416</td><td>Rozpuszczalnik do bombykolu.</td></tr><tr><td>Tunel aerodynamiczny</td><td>Niestandardowy</td><td></td><td>typ zasysania powietrza, o rozmiarach 1,800 &razy; 900 &razy; 300 mm L & razy; W i czasy; H.</td></tr><tr><td>Program BioSignal</td><td>Niestandardowy</td><td></td><td>Program 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.&nbsp;</td></tr><tr><td>Kamera</td><td>Sony</td><td>HDR-XR520V</td><td>Rejestruj ruchy robota.</td></tr></tbody></table>

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

Insect-controlled Robot: A Mobile Robot Platform to Evaluate the Odor-tracking Capability of an Insect

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.

Przedstawiamy tutaj podstawowe charakterystyki robota sterowanego przez owady, niezbędne do skutecznej lokalizacji źródła zapachu. Poddano analizie porównanie robota z jedwabnikami, efektywność systemu dostarczania zapachu oraz znaczenie dokładnych bilateralnych sygnałów węchowych i wizualnych.
Porównanie zachowań śledzenia zapachu między swobodnie poruszającymi się ćmami a robotem sterowanym przez owada przedstawiono na <strong...

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.

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

Robotic odor source localization has been a challenging area and one to which biological knowledge has been expected to contribute, as finding odor ...

Ogólnym celem niniejszego eksperymentu jest ocena zdolności owada do śledzenia zapachu w roli kontrolera robota mobilnego. Metoda ta może pomóc w rozwiązaniu kluczowych problemów w dziedzinie biomedycyny, takich jak wykorzystanie owadów w nawigacji biomimetycznych robotów mobilnych. Główną zaletą tej techniki jest możliwość bezpośredniego wykorzystania owada jako kontrolera robota mobilnego i ocena jego zdolności do odnalezienia źródła zapachu.Implikacje tej techniki rozciągają się na zrozumienie mechanizmów biologicznych leżących u podstaw innych zachowań, ponieważ badacze mogą zmieniać relację sensoryczno-motoryczną owada za pomocą manipulacji robotycznej. Aby rozpocząć eksperyment, najpierw należy wybrać dorosłego jedwabnika w wieku od dwóch do ośmiu dni. Delikatnie usuń wszystkie łuski z mesonotum, używając kawałka mokrej chusteczki lub patyczka higienicznego, aby odsłonić kutykulę.Nanieś klej na plastikowy pasek znajdujący się na końcu uchwytu. Następnie nanieś nieco kleju na powierzchnię odsłoniętego mesonotum, uważając, aby nie dotknąć zawiasu skrzydła ani tegul przedniego skrzydła. Odczekaj od pięciu do dziesięciu minut, aż klej przestanie być lepki.Przyklej mesonotum ćmy do uchwytu. Utrzymaj ćmę w pozycji przypiętej, mocując uchwyt do statywu. Pod nogami ćmy umieść kawałek papieru, aby mogła na nim spoczywać.Umyj powierzchnię białej kulki z rozwieszonego polistyrenu wodą, aby usunąć wszelkie możliwe wskazówki zapachowe lub wizualne. Następnie włącz wentylator dostarczający powietrze do bieżni. Kulka powinna unosić się około dwóch milimetrów nad dnem naczynia.Za pomocą śruby przymocuj miedziany przewód uchwytu dla ćmy do elementu mocującego w kokpicie robota. Upewnij się, że ćma jest ustawiona tak, aby środnia para nóg znajdowała się w centrum kuli. Zachowując tę samą wysokość kuli, dostosuj pionową pozycję uchwytu, aby umożliwić ćmie normalne chodzenie po kuli.W razie potrzeby przeprowadź stymulację feromonami płciowymi u przymocowanej ćmy, aby sprawdzić jej zachowanie podczas chodzenia. Kontrola zachowania podczas chodzenia przymocowanej ćmy jest kluczowa dla zapewnienia odpowiedniej pozycji pionowej owada w przypadku wystąpienia nietypowych zachowań lub błędów w odczycie czujników optycznych. Oba te czynniki bezpośrednio wpływają na końcowy ruch robota.Włącz nadmuch w tunelu aerodynamicznym typu ssącego i ustaw prędkość przepływu powietrza na 0,7 m/s. Upewnij się, że temperatura przekracza 20 °C. Umieść substancję zapachową w centralnym punkcie w poprzek kierunku wiatru, 25 cm z nawiewu od panelu z siatki.Włącz płytkę mikrokontrolera robota i ustanów połączenie szeregowe z komputerem za pomocą Bluetooth. Uruchom interfejs programu BioSignal pomiędzy komputerem a robotem. Kliknij przycisk „about device”, aby potwierdzić połączenie poprzez wysłanie polecenia do robota za pomocą wskazanego portu COM, a następnie sprawdź, czy z robota powróci odpowiednia wiadomość.Kliknij przycisk „memory erase”, aby usunąć wszelkie poprzednie dane dotyczące ruchu z wbudowanej pamięci flash. Następnie naciśnij przycisk „drivemode1”, aby przesłać do robota domyślne wzmocnienia silników. Kliknij „don't drive”, aby wysłać do robota polecenie unieruchomienia do momentu rozpoczęcia eksperymentu.Umieść robota w pozycji startowej, 60 centymetrów poniżej źródła zapachu. Włącz przełącznik płytki sterownika silnika. Następnie naciśnij przycisk nagrywania w kamkoderze, aby rozpocząć przechwytywanie obrazu wideo.Kliknij przycisk „start record”, aby wysłać polecenie startu, które uruchomi robota i jednocześnie rozpocznie nagrywanie obrotu kuli w pokładowej pamięci flash. Robot powinien zacząć się poruszać i śledzić smugę zapachową. Gdy robot zlokalizuje źródło zapachu lub nie zlokalizuje go w ciągu czterech minut, kliknij przyciski „record stop” oraz „don't drive”, aby wysłać polecenia zatrzymania zarówno robota, jak i nagrywania.Na koniec naciśnij przycisk nagrywania w kamkorderze, aby zatrzymać przechwytywanie wideo. Prędkość obrotowa i translacyjna robota mogą być również modyfikowane w celu zbadania umiejętności kompensacyjnych owada. Aby przetestować wpływ asymetrycznych wzmocnień silników, najpierw zdefiniuj wzmocnienia obrotowe, edytując plik parametrów w edytorze tekstu.W oprogramowaniu BioSignal kliknij „setparam2”, aby odczytać zmodyfikowaną konfigurację. Następnie kliknij „drivemode2”, aby przesłać te zmodyfikowane wartości wzmocnienia do robota. Aby manipulować sygnałem wejściowym z narządu węchu, należy zmienić odstęp między końcówkami rurek ssących.Można również zamienić ich pozycje, aby zmienić stężenie zapachu dostarczanego do każdej anteny. Wreszcie sygnały wizualne można zmodyfikować, zakrywając baldachim białym papierem w celu przesłonięcia odpowiednio 150 stopni poziomego i 90 stopni pionowego pola widzenia zainstalowanej ćmy. Porównanie zachowań śledzenia zapachu między ćmami poruszającymi się swobodnie a robotem sterowanym przez owada przedstawiono tutaj.W tych samych warunkach zapachowych zarówno ćmy, jak i roboty osiągnęły 100% skuteczności. Chociaż robot wykazywał szersze trajektorie w porównaniu z idącą ćmą, nie odnotowano istotnej różnicy w czasie lokalizacji zapachu. System podawania zapachu jest niezbędny do dostarczania strumienia substancji zapachowej do czułków uniesionej ćmy. Bez tego systemu robot nie mógł zorientować się w kierunku źródła zapachu i krążył, aż do momentu zatrzymania.Skuteczność bilateralnego sygnału olfaktorycznego w śledzeniu zapachu oceniono poprzez zmianę położenia końcówek rurek. W porównaniu do kontrolnej standardowej szerokiej szczeliny między rurkami, roboty zostały zmodyfikowane tak, aby posiadały wąską szczelinę, odwróconą szeroką szczelinę lub odwrócony sygnał wyjściowy silnika. Robot osiągnął 100% skuteczności w obu warunkach szerokości szczeliny, nie wykazując istotnych różnic w czasie lokalizacji.Odwrotnie, odwrócenie końcówek probówek spowodowało rozszerzenie trajektorii i wydłużyło czas lokalizacji, choć nie w stopniu istotnym. Wreszcie, w warunkach odwróconego silnika roboty krążyły w sposób ciągły, co znacząco wydłużyło czas lokalizacji. Po opanowaniu techniki, umieszczenie jedwabnika w obniżonym kokpicie można przeprowadzić w ciągu dziesięciu minut, pod warunkiem prawidłowego wykonania czynności.Podczas wykonywania tej procedury należy pamiętać o delikatnym obchodzeniu się z jedwabnikiem przez cały czas trwania operacji, aby uniknąć niepotrzebnych obrażeń. Po przeprowadzeniu tej procedury można wykonać długoterminowy eksperyment w celu odpowiedzi na dodatkowe pytania dotyczące mechanizmów zachowań adaptacyjnych, na przykład czy owady mogą nauczyć się sterować manipulowanym robotycznym ciałem. Po opracowaniu technika ta utorowała drogę badaczom z dziedziny neuronauki i robotyki do zgłębiania mechanizmów zachowań adaptacyjnych oraz ich zastosowania w sterowaniu autonomicznymi robotami.

insect-controlled-robot-mobile-robot-platform-to-evaluate-odor

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Neuronauka

W niniejszym artykule wideo opisujemy nową metodę umożliwiającą tworzenie gradientów substancji zapachowych o stabilnych i kontrolowalnych geometriach. Krótko ilustrujemy, w jaki sposób gradienty te mogą być wykorzystane do wykrywania wad węchu (całkowitej i częściowej anosmii) oraz do badania bardziej subtelnych cech zachowań chemotaktycznych.

Wysokorozdzielczy pomiar zachowań sterowanych węchem u larw Drosophila

W niniejszym materiale opisujemy sposób optymalizacji pozyskanego obrazu wideo dla aparatury do magnetycznego więzienia węchowego (OMT). Przedstawiamy również dwa przykładowe protokoły eksperymentalne służące do badania fuzji wzrokowo-węchowej.

Wizualnie zapośredniczone śledzenie zapachu podczas lotu u Drosophila

Pionowy olfaktometr labiryntu w kształcie litery T jest opisany do badania reakcji behawioralnej stawonogów. Olfaktometr pozwala eksperymentatorowi zmierzyć wybory dokonywane przez osoby badane pod wpływem dwóch potencjalnych pól zapachowych. Za pomocą tego urządzenia można zmierzyć zarówno przyciąganie, jak i odpychanie od substancji zapachowych.

Pionowy test wyboru labiryntu w kształcie litery T dla reakcji stawonogów na substancje zapachowe

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.

Wykorzystanie czujników elektroantennogramu owadów w autonomicznych robotach do wyszukiwania węchowego

Zaproponowaliśmy system, który wykorzystuje niedrogie, nieinwazyjne pseudoakustyczne czujniki optyczne do automatycznego i dokładnego wykrywania, liczenia i klasyfikowania owadów latających na podstawie ich dźwięku lotu.

Wykrywanie i klasyfikacja owadów latających za pomocą niedrogich czujników

Ten protokół opisuje proces konstruowania hybrydowego systemu owado-maszynowego i przeprowadzania bezprzewodowej elektrycznej stymulacji mięśni lotu wymaganych do kontrolowania ruchu skrętu latającego owada.

Hybrydowy system owado-maszynowy: zdalne sterowanie radiowe swobodnie latającym chrząszczem (Mercynorrhina torquata)

Ten protokół opisuje kroki korzystania z nowatorskiego oprogramowania, SwarmSight, do śledzenia klatka po klatce pozycji anteny owada i trąbki z konwencjonalnych kamer internetowych przy użyciu konwencjonalnych komputerów. Darmowe oprogramowanie typu open source przetwarza klatki około 120 razy szybciej niż ludzie i działa z dokładnością lepszą niż ludzka.

SwarmSight: Śledzenie w czasie rzeczywistym ruchów anteny owadów i odruchu wysuwania trąbki przy użyciu zwykłego preparatu i konwencjonalnego sprzętu

Pomiar wzorców pojawiania się owadów wymaga precyzji. Istniejące systemy są tylko częściowo zautomatyzowane, a wielkość próby jest ograniczona. Zajęliśmy się tymi problemami, projektując system wykorzystujący mikrokontrolery do precyzyjnego pomiaru czasu pojawienia się dużej liczby pojawiających się owadów.

Precyzyjny i autonomiczny system wykrywania wzorców pojawiania się owadów

Tutaj opisujemy budowę i wykorzystanie tunelu aerodynamicznego do testów behawioralnych z owadami za pośrednictwem zapachu. Konstrukcja tunelu aerodynamicznego ułatwia uwalnianie źródeł zapachów na kilka sposobów, z bodźcami wizualnymi lub bez. Eksperymenty w tunelu aerodynamicznym są ważnymi metodami identyfikacji behawioralnie aktywnych lotnych substancji chemicznych.

Tunel aerodynamiczny do testów behawioralnych owadów na podstawie zapachu

To badanie wprowadza eksperymentalne protokoły dla bio-hybrydowego drona wykrywającego zapachy, opartego na antenach jedwabnika. Przedstawiono działanie eksperymentalnego urządzenia elektroantennogramowego z czułkami jedwabnika, a także konstrukcję biohybrydowego drona przeznaczonego do lokalizacji źródła zapachów za pomocą algorytmu spiralnego przypływu.

Biohybrydowy dron wykrywający zapachy oparty na elektroantennografii wykorzystujący anteny Silkmoth do lokalizacji źródła zapachów

Poznaj metodę oceny zdolności śledzenia zapachów przez ćmę jedwabniczkę jako kontrolera robota mobilnego. Technika ta umożliwia badanie relacji sensoryczno-motorycznych i nawigacji biomimetycznej.

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

Przeglądaj więcej filmów