Robô controlado por insetos: uma plataforma móvel Robot avaliar a capacidade Odor-tracking de um inseto

Summary

A capacidade para localizar uma fonte de odor é necessária para a sobrevivência de insectos e espera-se que seja aplicável aos odores-rastreamento artificial. O robô controlado por insetos é accionada por um silkmoth real e nos permite avaliar a capacidade de rastreamento de odor de insetos através de uma plataforma robótica.

Abstract

A localização robótica de fontes de odor tem sido uma área desafiadora e para a qual se espera que o conhecimento biológico contribua, pois encontrar fontes de odor é uma tarefa essencial para a sobrevivência do organismo. Os insetos são organismos bem estudados no que diz respeito ao rastreamento de odores, e suas estratégias comportamentais têm sido aplicadas a robôs móveis para avaliação. Essa abordagem "de baixo para cima" é uma maneira fundamental de desenvolver robôs biomiméticos; No entanto, as análises biológicas e a modelagem dos mecanismos comportamentais ainda estão em andamento. Portanto, ainda não se sabe como esse sistema biológico realmente funciona como controlador de uma plataforma robótica. Para responder a essa pergunta, desenvolvemos um robô controlado por insetos no qual uma mariposa adulta macho (Bombyx mori) dirige um carro robô em resposta a estímulos de odor; Isso pode ser considerado um protótipo de um futuro robô mimético de insetos. No cockpit do robô, uma mariposa-da-seda amarrada caminhava sobre uma bola apoiada no ar e um sensor óptico media as rotações da bola. Essas rotações foram traduzidas no movimento do robô de duas rodas. A vantagem dessa abordagem "híbrida" é que os experimentadores podem manipular qualquer parâmetro do robô, o que permite a avaliação da capacidade de rastreamento de odor dos insetos e fornece sugestões úteis para o rastreamento robótico de odores. Além disso, essas manipulações são formas não invasivas de alterar a relação sensório-motora de um inseto piloto e serão uma técnica útil para a compreensão de comportamentos adaptativos.

Introduction

Robôs autônomos capazes de encontrar uma fonte de odor podem ser importantes para a segurança da sociedade. Eles podem ser usados para a detecção de vítimas de desastres, de drogas ou materiais explosivos em um aeroporto e de derramamentos ou vazamentos de materiais perigosos no meio ambiente. Atualmente, dependemos inteiramente de animais bem treinados (por exemplo, cães) para essas tarefas, e espera-se fortemente que a localização robótica da fonte de odor alivie a carga de trabalho desses animais. Encontrar uma fonte de odor é uma tarefa desafiadora para os robôs porque os odores são distribuídos intermitentemente em uma atmosfera¹; portanto, a amostragem contínua do gradiente de concentração de odor nem sempre é possível. Assim, uma estratégia de busca usando pistas de odor intermitentes é necessária para a obtenção da localização robótica da fonte de odor^2-4.

A localização da fonte de odor é essencial para a sobrevivência do organismo e inclui tarefas como encontrar comida, parceiros de acasalamento e locais para oviposição. Para superar a dificuldade em rastrear odores distribuídos irregulares, os organismos desenvolveram várias estratégias comportamentais que consistem em dois comportamentos fundamentais: mover-se rio acima durante a recepção do odor e cruzar a corrente durante a cessação da recepção do odor^5,6. Essas estratégias reativas foram bem documentadas em insetos e posteriormente combinadas com outras modalidades, como direção do vento e visão^5-8. Os modelos comportamentais de insetos também têm sido exemplos úteis para a robótica^3,9-11, em que algoritmos comportamentais ou modelos de circuitos neurais são implementados em robôs móveis para a avaliação das habilidades de localização da fonte de odor^10,12-15. Do ponto de vista biomimético, essa abordagem "de baixo para cima" é certamente uma maneira fundamental de desenvolver robôs biomiméticos. No entanto, a abordagem de baixo para cima não é um atalho para obter uma estratégia de pesquisa útil, porque as análises biológicas ainda estão em andamento e a modelagem dos sistemas sensório-motores por trás dos comportamentos dos insetos não foi concluída. Portanto, ainda não se sabe como esse sistema biológico realmente funciona como controlador de uma plataforma robótica.

Neste artigo, demonstramos o protocolo de uma abordagem direta "de cima para baixo" para desenvolver um robô móvel de rastreamento de odores controlado por um sistema biológico^16,17. O robô é controlado por um inseto real e pode ser considerado um protótipo de futuros robôs miméticos de insetos. Na cabine do robô, uma mariposa macho adulta amarrada (Bombyx mori) caminhou sobre uma bola suportada por ar em resposta ao feromônio sexual feminino, que foi entregue a cada antena por meio de tubos de sucção de ar. As rotações da bola causadas pela caminhada da mariposa a bordo foram medidas por um sensor óptico e foram traduzidas no movimento do robô de duas rodas. A vantagem dessa abordagem "híbrida" é que os experimentadores podem investigar como o sistema sensório-motor do inseto funciona na plataforma robótica, onde um inseto piloto está em um circuito fechado entre o robô e uma circunstância de odor real. A manipulação do hardware robótico altera o circuito fechado; Portanto, o robô controlado por insetos é uma plataforma útil para engenheiros e biólogos. Para a engenharia, o robô representa os primeiros passos da aplicação de um modelo biológico para atender aos requisitos de tarefas robóticas. Para a biologia, o robô é uma plataforma experimental para estudar o controle sensório-motor em um circuito fechado.

Protocol

1. animal Experimental

1. Prepare uma caixa de plástico para manter a pupas de silkmoths do sexo masculino (B. mori) até à sua eclosão. Toalhas de papel colocadas na parte inferior e pedaços de papelão ao redor da parede interna da caixa (Figura 1A).
   Nota: Os pedaços de papelão são necessários para as mariposas adultas para segurar enquanto estende suas asas durante a eclosão (Figura 1A).
2. Coloque silkmoth masculino (Bombyx mor i) pupas na caixa e mantê-los em uma incubadora até a eclosão sob um 16-hr: Luz 8 horas: ciclo escuro a 25 ° C.
   NOTA: O macho e pupas do sexo feminino podem ser discriminados pelas marcações do sexo no abdômen (Figura 1B).
3. Recolha mariposas machos adultos após a eclosão e movê-los para uma nova caixa.
4. Manter as traças adultas numa incubadora sob uma 16-h: luz 8-h: ciclo escuro e diminuir a temperatura a 15 ° C para reduzir a sua actividade antes da experiência.

2. Amarrar um Silkmoth

1. Fabricação de um anexo para o tethering (Figura 2A)
   Nota: O acessório é constituído por um fio de cobre com uma tira de uma folha fina de plástico, na sua ponta. Isto assegura o movimento dorso-ventral do tórax durante a marcha (Figura 2B).
   1. Prepara-se uma tira de uma folha fina de plástico, 2 × 40 mm (espessura: 0,1 mm), e dobrá-lo no meio.
   2. Anexar a tira dobrada à ponta de um fio de cobre com um adesivo.
   3. Dobre a ponta da tira dobrada, onde o tórax de um silkmoth está ligado.
2. Use mariposas adultas (2-8 dias) durante o período de luz para o experimento.
   Nota: A sensibilidade para a feromona depende fortemente do relógio circadiano ^18. Porque B. mori é uma mariposa diurna, o experimento deve ser realizado durante o período de luz.
3. Remova cuidadosamente todas as escalas na dorSal tórax (mesonoto) usando um pedaço de tecido húmido (ou haste de algodão) e expor a cutícula do mesonoto (Figura 2C).
4. Cole um adesivo sobre a tira de plástico na fixação e na superfície do mesonoto exposta com uma chave de fendas pequena e esperar 5-10 min, até que o adesivo deixa de ser viscoso.
   Nota: O adesivo não deve tocar a dobradiça asa ou o tegulae asa anterior (Figura 2C).
5. Unir o mesonoto ao anexo.
6. Mantenha a traça amarrado antes de colocá-lo dentro do cockpit do robô. Segure o acessório em um carrinho e colocar um pedaço de papel por baixo das pernas para descansar a mariposa.

3. Robô controlado-Insecto

1. Projetar o hardware do robô controlado por inseto com base em trabalhos anteriores ^16,17,19.
   Nota: O robô controlado por insetos consiste em uma esteira apoiado pelo ar com um sensor de rato óptico para Capture o inseto locomoção, à base de AVR placas de microcontroladores custom-built para processamento e controle motor, e dois motores DC sem escovas (Figuras 3 e 4). O robô pode ser executado com base na rotação bola com precisão de 96% ou superior, dentro de um tempo de atraso de 200 ms. Ele também garante a mobilidade de máxima velocidade de avanço (24.8 mm / s) e velocidade angular (96,3 ° / seg) do silkmoth durante feromônio comportamento de rastreamento ^16. O fluxo de ar da esteira (Figura 5A) e sistema de entrega odor (Figura 5B) são projetados para a traça a bordo de caminhar sem problemas sobre a bola e adquirir um odor por duas antenas. A entrada de ar e do fluxo do canal do tapete rolante é separado dos do sistema de libertação de odores, para evitar a contaminação da feromona.
2. Projetar o software para os microcontroladores de bordo baseados em trabalhos anteriores ^16.
   Nota: O microcontrolador calcula a bordo tele movimentos do robô da locomoção inseto medido com um sensor óptico (rotacional, Δ x; translacional, Δ Y; Figura 6). A distância de deslocamento (Δ L) e virar ângulo (Δθ) por unidade de tempo do robô são calculados com base na distância de percurso de cada uma das rodas (esquerda, Δ L _L; direito, Δ L _R), tais como Δ G = (Δ L _L L + Δ _R) / 2 e Δθ = (Δ L _L - L Δ _R) / _{roda de} D, em que D _roda é a distância entre as duas rodas (120 mm). Δ L _L e Δ L _R são ainda descritos como Δ G _G = _x Δ _{L, L} + Δ G _{Y, L} e Δ L _R = _X Δ _{G, Y, R,} em que _X Δ _{L, L <Δ} L _R +/ sub> e _x Δ _{L, R} são as distâncias das rodas nos lados esquerdo e direito controladas por Δ x, e Δ L _{y, L} e Δ L _{y, R} são as empresas controladas por Δ y. Idealmente, Δ _{x G, L} e _X Δ _{L, R} são descritos como _X Δ _{L, L} = _X -Δ _{L, R} = G Δ x (D _roda / _bola D), e Δ G _{Y, L} e L _Y Δ _{, R} são descritos como Δ G _{Y, L} = Δ L _{Y, R} = G Δ Y, em que G é o ganho do motor e _esfera D é o diâmetro da bola (50 mm). Na prática, o ganho do motor é definido independentemente por cada um dos lados (esquerdo ou direito da roda) e por cada direcção (para a frente ou para trás de rotação) de modo a calibrar o movimento do robô. Os ganhos independentes permitem ainda mais para oconfiguração assimétrica de rotação do motor para gerar um viés de rotação do robô (ver passo 6.1).
3. Lava-se a superfície de uma bola branca Poliestireno (de massa: aproximadamente 2 g; diâmetro: 50 mm) com água para remover quaisquer possíveis pistas olfactivas ou visuais.
   Nota: A superfície de uma nova bola deve ser desbastada com lixa fina, tais como P400, o que assegura o aperto das pernas sobre a bola.
4. Ligue o ventilador do ventilador que fornece ar às 9 V para a esteira e flutua a bola (Figura 5A). Observar a esfera flutuante de aproximadamente 2 mm a partir do fundo do copo.
5. Usando um parafuso, fixe o fio de cobre do anexo com a traça (consulte a etapa 2) para um dispositivo elétrico na cabine do robô (ver Figura 3 inserção). Certifique-se de que a posição das pernas do meio está no centro da esfera (Figura 7A).
6. Ajuste a posição vertical da fixação para permitir a traça a andar normalmente no btodos. Manter a bola na mesma altura antes e depois de anexar a traça (Figura 7B).
   Nota: Uma posição muito menor do acessório adiciona pressão sobre a traça e elicia uma curta para trás, para resistir à pressão (Figura 7C), ao passo que uma posição alta demais provoca andar instável e falhas do sensor devido a alterações na posição vertical de a bola (Figura 7D). Para verificar o comportamento de caminhada normal, um single-inchado estímulo feromônio é usado para disparar andando na traça (para o estímulo feromônio, consulte o passo 4). Note-se que o estímulo de teste deve ser mínimo, porque a exposição anterior para bombykol habitua silkmoths e diminui a sua sensibilidade (Matsuyama e Kanzaki, dados não publicados).

4. Preparação Fonte Odor

Nota: Masculino B. mori são sensíveis ao componente principal da feromona sexual feminina da mesma espécie (bombykol: (E, Z) -10,12-hexadecadien-1-ol) 20. Qualquer contaminação do equipamento experimental com bombykol provoca o comportamento de rastreamento de odor e afecta a capacidade de resposta da traça.

1. Gota de 10 ul da solução bombykol dissolvido em n-hexano (200 ng / ul) sobre um pedaço de papel de filtro (cerca de 10 mm × 10 mm). A quantidade de bombykol cada pedaço de papel de filtro é de 2.000 ng.
   Nota: Para verificar o comportamento normal curta da mariposa, prepare um cartucho de feromônio estímulo nesta etapa. O cartucho é uma pipeta de Pasteur de vidro com um pedaço de papel de filtro contendo 2000 ng de bombykol. Empurrando um bulbo incha o bombykol ar que contém.

5. Odor Fonte Localization Experiment

1. Ligue o ventilador de um túnel de vento ao ar do tipo de puxar (1.800 × 900 mm × 300 mm, L × W × H; Figura 8) e definir a velocidade do vento a 0,7 m / s. Certifique-se de que a temperatura é superior a 20 ° C.
2. Defina a fonte de odor (o pIECE de papel de filtro contendo bombykol) a montante do túnel de vento.
   Nota: A largura pluma deve ser confirmado antes da experiência usando _TiCl4 ^17,19.
3. Ligue a placa do microcontrolador do robô e estabelecer uma conexão serial a um PC via Bluetooth.
4. Lançar um programa Java feito por encomenda chamado de "sinais vitais", que fornece uma interface entre o PC eo robô.
   Nota: A janela principal inclui botões para enviar comandos para o robô, janelas de texto para exibir a entrada e saída de comunicação serial, e pequenas caixas para configurar os parâmetros. Os comandos subseqüentes são enviadas clicando nos botões correspondentes no programa, exceto para captura de vídeo.
5. Clique no "sobre o dispositivo" botão para confirmar a conexão enviando um comando para o robô através da porta COM especificado e verifique se uma mensagem é devolvido pelo robô.
6. Clique no botão "memory apagar "botão para apagar dados de locomoção anteriores deixadas na memória flash onboard.
7. Clique no botão "drivemode1" para enviar os ganhos motores padrão para o robô.
   Nota: As manipulações dos ganhos motor e o tempo de atraso entre a locomoção de insetos e movimento do robô são aplicadas após esta etapa (veja as etapas 6.1 e 6.3, figura 9).
8. Clique no botão "não conduza" para enviar um comando para imobilizar o robô até que a experiência começa.
9. Coloque o robô em uma posição de partida (600 mm a jusante da fonte de odor) e ligue o interruptor da placa de excitador do motor.
10. Pressione o botão de gravação da câmera de vídeo para iniciar a captura de vídeo.
11. Clique no botão "start rec" para enviar um comando de partida para iniciar o robô com uma gravação simultânea da rotação bola na memória flash onboard. Observe que o robô começa a se mover e rastreia a pluma de odor.
12. Clique no"STOP REC" e "não dirija" botões para enviar comandos para parar tanto o movimento do robô ea gravação se o robô localiza a fonte de odor.
13. Pressione o botão de gravação da câmera de vídeo para parar a captura de vídeo.
14. Baixar os dados gravados de locomoção da memória flash integrada ao computador através de uma conexão serial. Feche o programa.

6. A manipulação do robô controlado por Insect

Nota: O tempo de cada manipulação é indicado na Figura 9.

1. Manipulação de ganhos motores
   Nota: Esta manipulação altera a velocidade de translação e de rotação do robô. Ganhos motores assimétricos gerar um viés de torneamento, que pode ser usado para investigar como insectos compensar a polarização ^17.
   1. Definir os ganhos de rotação para a frente e rotação para trás do motor de cada lado ¹⁷ (Figura 6B) editando tharquivo e de configuração chamado "param2.txt" usando um editor de texto.
   2. Clique no botão "param2 set" para ler o arquivo de configuração editado no programa de software. Em seguida, clique no botão "drivemode2" para enviar os ganhos manipulados para o robô.
2. Inversão da saída do motor
   Nota: Esta manipulação fornece uma condição similar à inversão de entrada olfactiva bilateral (ver passo 6.4) e pode ser usado para investigar o significado do olfacto bilateral. No entanto, a inversão da saída do motor também inverte movimento visual auto-indução de uma traça a bordo. O impacto da entrada visual de auto-induzida invertido pode ser avaliada através de uma comparação com a entrada invertida ¹⁹ olfactiva.
   1. Inverter o controle motor bilateral através do cruzamento dos cabos de controlo para cada motor.
3. Manipulação do tempo de atraso entre a locomoção e de insectos movimento do robô.
   Nota: Esta manipulaçãopermite a investigação do período aceitável de tempo gasto no processamento sensorial-motor para o odor-tracking robótico. O microcontrolador armazena os dados de locomoção em um buffer de memória e, em seguida, processa-lo após o intervalo de tempo especificado. Note-se que o robot tem um atraso de tempo interna máxima de 200 ms; Portanto, o retardo de tempo real deve ser o intervalo de tempo especificado, acrescidos de 200 mseg ^16,17.
   1. Introduza um número (0-10) em uma pequena caixa da janela principal para especificar um tempo de atraso de 0-1,000 ms em passos de 100 ms.
   2. Clique no botão "definir o atraso" para aplicar o tempo de atraso.
4. Manipulação da entrada olfactiva.
   Nota: Esta manipulação pode ser utilizada para investigar o significado de entrada olfactiva bilateral. A direção onda de silkmoths é tendenciosa no lado de maior concentração ^22.
   1. Mudar a lacuna entre as pontas de tubo de sucção ou inverter as suas posições para alterar odiferença na concentração de odor adquirida por cada antena.
5. Manipulação da informação visual
   Nota: Esta manipulação é investigar o papel da entrada visual para odor-tracking.
   1. Cobrir o dossel com um papel branco que obstrui 105 ° e 90 ° do campo visual horizontal e vertical da traça a bordo, respectivamente.

Results

Apresentamos aqui as características básicas do robô controlado por insetos necessário para a localização bem-sucedida de uma fonte de odor. A comparação entre o robot e silkmoths, a eficácia do sistema de entrega de odor, e o significado de olfactivo bilateral exacta e entradas visuais são examinados.

A comparação dos comportamentos de odor-rastreamento entre traças livremente a pé e o robot controlado por insectos é mostrado...

Discussion

Os pontos mais importantes para o controle bem sucedido do robô por um silkmoth estão deixando a traça caminhar sem problemas sobre a bola apoiado pelo ar ea forma estável medir a rotação de bola. Por isso, amarrar o silkmoth e montá-lo sobre a bola na posição apropriada são os passos críticos neste protocolo. adesão inadequada da mariposa para a fixação ou posicionamento inadequado da mariposa na bola irá causar pressão antinatural sobre ele, o que perturba o seu comportamento marcha normal e / ou provoca uma falha do ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Mariposa-da-seda adulta macho (Bombyx mori)			Traseira dos ovos ou comprada como pupas.
Incubadora	Panasonic	MIR-254	Armazene pupas ou mariposas adultas a uma temperatura constante, 238 L.
Caixa de plástico	Sunplatec	O-3	Armazene pupas ou mariposas adultas, 299 &vezes; 224 &vezes; 62 mm L &vezes; W &vezes; H.
Fio			de cobre de 2 mm de diâmetro para o acessório. Qualquer barra rígida pode ser usada como alternativa para fazer o acessório para amarrar uma mariposa de seda.
Folha de plástico	Kokuyo	VF-1420N	Vendido como filme retroprojetor com espessura de 0,1 mm. Use na ponta do acessório.
Fórceps	Como um	5SA	Remova as escamas no tórax.
Adesivo	Konishi	G17	Cole uma mariposa de seda ao acessório.
Robô controlado por insetos	Custom		Bearing uma esteira com suporte de ar, um sensor óptico, placas microcontroladoras personalizadas baseadas em AVR e dois motores DC brushless. É alimentado por 8 &vezes; AA e 3 × Baterias 006P.
Microcontrolador	Atmel	ATMEGA8	Um componente do robô controlado por insetos.
Soprador DC	Nidec	A34342-55	Um componente do robô controlado por insetos para flutuar uma bola em uma esteira com suporte de ar.
Ventilador DC	Minebea	1606KL-04W-B50	Um componente do robô controlado por insetos para aspirar ar contendo um odor.
Sensor óptico de mouse	Agilent technologies	HDNS-2000	Um componente do robô controlado por insetos, obtido de um mouse óptico (M-GUWSRSV, Elecom, Japão).
Motor sem escovas	Maxon	EC-45	Um componente do robô controlado por insetos para acionar uma roda.
		poliestireno branco	Um componente do robô controlado por insetos. Diâmetro 50 mm, massa de aproximadamente 2 g.
Bombykol: (E, Z) -10,12-hexadecadien-1-ol	Shin-Etsu síntese química		personalizada.
n-hexano	Wako	085-00416	Solvente para bombykol.
Túnel de vento	Tipo de tração de ar personalizado		, dimensionado 1.800 &vezes; 900 &vezes; 300 mm L &vezes; W &vezes; H.
Programa BioSignal	Personalizado		Um programa para estabelecer comunicação serial entre o robô controlado por insetos e um PC via Bluetooth. Usado para enviar comandos para iniciar/parar o robô ou configurar suas propriedades do motor.
Filmadora	Sony	HDR-XR520V	Capture movimentos do robô.