Насекомое управляемый робот: мобильный робот Платформа для оценки запаху отслеживания Способность насекомого

Summary

Возможность локализации источника запаха необходимо для выживания насекомых и, как ожидается, будет применима к искусственному запаха слежения. Робот насекомое управлением управляется фактической шелкопряда и позволяет оценить запах отслеживания способности насекомых через роботизированную платформу.

Abstract

Роботизированная локализация источников запахов была сложной областью, в которую ожидалось внести свой вклад биологическими знаниями, поскольку поиск источников запахов является важной задачей для выживания организма. Насекомые являются хорошо изученными организмами с точки зрения отслеживания запахов, и их поведенческие стратегии были применены к мобильным роботам для оценки. Этот подход «снизу вверх» является фундаментальным способом разработки биомиметических роботов; Тем не менее, биологический анализ и моделирование поведенческих механизмов все еще продолжаются. Поэтому до сих пор неизвестно, как на самом деле работает такая биологическая система в качестве контроллера роботизированной платформы. Чтобы ответить на этот вопрос, мы разработали управляемого насекомыми робота, в котором самец взрослого шелкопряда (Bombyx mori) управляет роботизированным автомобилем в ответ на раздражители запаха; Это можно расценивать как прототип будущего насекомо-миметического робота. В кабине робота привязанный шелкопряд ходил по шару с воздушной опорой, а оптический датчик измерял вращение шара. Эти вращения были переведены в движение двухколесного робота. Преимущество этого «гибридного» подхода заключается в том, что экспериментаторы могут манипулировать любым параметром робота, что позволяет оценить способность насекомых отслеживать запахи и дает полезные предложения для роботизированного отслеживания запахов. Кроме того, эти манипуляции являются неинвазивными способами изменения сенсомоторных отношений пилотного насекомого и будут полезным методом для понимания адаптивного поведения.

Introduction

Автономные роботы, способные находить источник запаха, могут быть важны для безопасности общества. Они могут использоваться для обнаружения жертв стихийных бедствий, наркотиков или взрывчатых материалов в аэропорту, а также разливов или утечек опасных материалов в окружающей среде. В настоящее время мы полностью полагаемся на хорошо обученных животных (например, собак) для выполнения этих задач, и ожидается, что роботизированная локализация источника запаха значительно снизит нагрузку этих животных. Поиск источника запаха является сложной задачей для роботов, потому что одоранты периодически распределяются в атмосфере¹; Поэтому непрерывный отбор проб градиента концентрации запаха не всегда возможен. Таким образом, стратегия поиска с использованием прерывистых сигналов запаха необходима для достижения роботизированной локализации источника запаха^2-4.

Локализация источника запаха важна для выживания организма и включает в себя такие задачи, как поиск пищи, партнеров для спаривания и мест для откладки яиц. Чтобы преодолеть трудности в отслеживании неоднородно распределенных запахов, организмы развили различные поведенческие стратегии, состоящие из двух основных моделей поведения: движение вверх по течению во время приема запаха и перекрестное течение во время прекращения приема запаха^5,6. Эти стратегии реакции были хорошо задокументированы у насекомых и в дальнейшем комбинировались с другими модальностями, такими как направление ветра и зрение^5-8. Поведенческие модели насекомых также являются полезными примерами для робототехники^3,9-11, в которой поведенческие алгоритмы или модели нейронных цепей реализованы в мобильных роботах для оценки способностей локализации источника запаха^10,12-15. С точки зрения биомиметики, этот подход «снизу вверх», безусловно, является фундаментальным способом разработки биомиметических роботов. Тем не менее, подход «снизу вверх» не является кратчайшим путем к получению полезной стратегии поиска, потому что биологический анализ все еще продолжается, а моделирование сенсомоторных систем, лежащих в основе поведения насекомых, еще не завершено. Поэтому до сих пор неизвестно, как на самом деле работает такая биологическая система в качестве контроллера роботизированной платформы.

В этой статье мы демонстрируем протокол простого подхода "сверху вниз" для разработки мобильного робота, отслеживающего запахи, управляемого биологической системой^16,17. Робот управляется реальным насекомым и может рассматриваться как прототип будущих насекомо-миметических роботов. В кабине робота привязанный взрослый самец шелкопряда (Bombyx mori) ходил по мячу, поддерживаемому воздухом, в ответ на женский половой феромон, который доставлялся к каждой антенне через воздушные всасывающие трубки. Вращения шаров, вызванные ходьбой бортового мотылька, измерялись оптическим датчиком и транслировались в движение двухколесного робота. Преимущество этого «гибридного» подхода заключается в том, что экспериментаторы могут исследовать, как работает сенсомоторная система насекомых на роботизированной платформе, где пилотное насекомое находится в замкнутом контуре между роботом и реальными обстоятельствами запаха. Манипуляции с роботизированным оборудованием изменяют замкнутый контур; Таким образом, робот, управляемый насекомыми, является полезной платформой как для инженеров, так и для биологов. Для инженерии робот представляет собой первые шаги по применению биологической модели для удовлетворения требований к роботизированным задачам. Для биологии робот является экспериментальной платформой для изучения сенсомоторного управления в замкнутом контуре.

Protocol

1. Экспериментальное животное

1. Подготовьте пластиковую коробку, чтобы держать куколок самцов silkmoths (Б. Mori) до момента их вылупления. Положите бумажные полотенца в нижней части и куски картона вокруг внутренней стенки коробки (рис. 1А)
   Примечание: Кусочки картона необходимы для взрослых моли , чтобы держать, расширяя свои крылья во время вылупления (рис 1А).
2. Положите мужской шелкопряда (Bombyx мор я) куколки в коробке и держать их в инкубатор до вылупления под 16-ч: 8-часовой свет: темнота цикла при 25 ° C.
   ПРИМЕЧАНИЕ: мужского и женского пола куколок можно отличить половыми маркировок на животе (рис 1В).
3. Сбор взрослых самцов моли после вылупления и переместить их в новую коробку.
4. Держите взрослых моли в инкубаторе в 16-ч: 8-часовой свет: темнота и уменьшить температуру до 15 ° С, чтобы снизить свою активность до начала эксперимента.

2. привязывать к шелкопряда

1. Изготовление вложения для привязывания (рис 2A)
   Примечание: Приспособление состоит из медной проволоки с полоской тонкого пластикового листа , на его конце. Это обеспечивает спинным-вентральной движение грудной клетки при ходьбе (рис 2В).
   1. Приготовьте полоску тонкой пластиковой пленкой, 2 × 40 мм (толщина: 0,1 мм), и сложить его в середине.
   2. Приложить сложенную полоску на кончик медной проволоки с клеем.
   3. Согните кончик сложенной полоски, где прикрепляется грудная клетка из шелкопряда.
2. Используйте взрослые моли (2-8 дней) в течение светового периода для эксперимента.
   Примечание: Чувствительность к феромона сильно зависит от циркадных часов ^18. Поскольку Б. Mori является суточное моли, эксперимент должен быть выполнен в течение светового периода.
3. Аккуратно удалите все весы на дорсал грудной клетке (мезонотум) , используя кусочек влажной ткани (или ватным тампоном) и подвергать кутикулу спинке (рис 2C).
4. Вставить клея на полоску пластика на креплении и на поверхности открытой спинке с небольшой плоской отвертки и подождать 5-10 минут, пока клей больше не липким.
   Примечание: Клей не должен касаться крыла петли или переднего крыла тегулы (рис 2С).
5. Бонду среднеспинки к привязанности.
6. Держите мотылька привязанную перед размещением внутри кабины робота. Держите крепление на подставке и положил листок бумаги под ноги, чтобы отдохнуть мотылька.

3. Насекомое управляемый робот

1. Разработка аппаратных робота насекомых управлением на основе предыдущих работ ^16,17,19.
   Примечание: Робот насекомое управлением состоит из беговой дорожки воздухоопорные с оптическим датчиком мыши к CapturЕ двигательного аппарата насекомых, заказных AVR микроконтроллеров на базе платы для обработки и управления двигателем, а также два бесщеточных двигателей постоянного тока (3 и 4). Робот может работать на основе вращения шара с 96% точностью или выше, в течение времени задержки 200 мс. Она также обеспечивает мобильность максимальной скорости движения (24,8 мм / сек) и угловой скорости (96,3 ° / сек) в течение шелкопряда феромона поведения отслеживания ^16. Поток воздуха беговой дорожки (рис 5А) и системы доставки запах (Рисунок 5В) предназначены для бортовой моли идти гладко на мяч и получить запах двумя антеннами. Забор воздуха и канал потока беговой дорожки отделена от системы доставки запаха, чтобы избежать загрязнения феромона.
2. Разработка программного обеспечения для бортовых микроконтроллеров , основанных на предыдущих работах ^16.
   Примечание: Встроенный микроконтроллер вычисляет тон робот движения от локомоции насекомого , измеренной с помощью оптического датчика (вращения, Δ х; поступательные, Δ у; Рисунок 6). Расстояние перемещения (Δ L) и угол поворота (Ае) в единицу времени робота рассчитываются на основании расстояния перемещения каждого колеса (слева, Δ L _L, правый, Δ L _R) , таких как Д L = (Д L _L + Δ L _R) / 2 и Δθ = (Δ L _L - Δ L _R) / D _{колесо,} где D _колеса расстояние между двумя колесами (120 мм). Δ L _L и Δ L _R дополнительно описывается как Δ L _L = Δ L _{X, L} + Δ L _{Y, L} и Δ L _R = Δ L _{х, R} + Δ L _{Y, R,} где Δ L _{X, L <}/ суб> и Δ L _{х, R} являются туристические расстояния колес на левой и правой сторон , контролируемых Д х, и Δ L _{Y, L} и L Δ _{Y, R} являются те , которые контролируются Д у. В идеале, Δ L _{X, L} и Δ L _{х, R} описываются как Δ L _{X, L} = -A L _{X, R} = G Д х (D / D _{колеса шара),} а А L _{Y, L} и L Д _{у , R} описываются как Δ L _{Y, L} = A L _{Y, R} = G Д у, где G является коэффициент усиления двигателя и D _шар является диаметр шара (50 мм). На практике коэффициент усиления двигателя независимо друг от друга установлены с каждой стороны (левая или правая колеса) и по каждому направлению (вперед или назад вращения) таким образом, чтобы откалибровать движение робота. Независимые получает дополнительно позволяютустановка несимметричного вращения двигателя, чтобы генерировать поворота смещения робота (см шаг 6.1).
3. Вымыть поверхность белого Пенополистирол шара (масса: около 2 г, диаметр: 50 мм) с водой, чтобы удалить любые возможные обонятельные или визуальные сигналы.
   Примечание: Поверхность нового шара должна быть разогнали с тонкой наждачной бумаги, такие как P400, которая обеспечивает сцепление ног на мяче.
4. Включите нагнетательный вентилятор , который подает воздух в 9 V к беговой дорожке и парит шар (рис 5А). Обратите внимание шар плавать около 2 мм от дна чашки.
5. С помощью винта прикрепите медный провод крепления с моли (см шаг 2) к арматуре в кабине робота (см рис 3 врезку). Убедитесь , что положение средних ног находится в центре шара (7А).
6. Отрегулируйте вертикальное положение крепления, чтобы позволить мотылька нормально ходить по бвсе. Держите мяч на той же высоте , до и после прикрепления мотылька (рисунок 7b).
   Примечание: слишком низкое расположение крепления добавляет давление на моли и вызывает обратную ходьбу , чтобы противостоять давлению (рис 7в), в то время как слишком высокое положение вызывает неустойчивую ходьбу и отказы датчика из - за изменений в вертикальном положении мяч (рис 7D). Для проверки нормальной ходьбе поведение, один-пыхтел феромона стимул используется для запуска ходьбе в моли (для феромонов стимула, смотрите шаг 4). Обратите внимание, что тестовый стимул должен быть минимальным, так как предыдущее воздействие бомбикол приучает silkmoths и снижает их чувствительность (Мацуяма и Кандзаки, неопубликованные данные).

4. Источник Подготовка Запах

Примечание: Муж B. Mori чувствительны к основной составляющей конспецифической женского полового феромона (бомбикол: (E, Z) -10,12-hexadecadien-1-ол) 20. Любое загрязнение экспериментального оборудования с бомбикол вызывает поведение запаха отслеживания и влияет на отзывчивость моли.

1. Оставьте 10 мкл раствора бомбикол, растворенного в н-гексане (200 нг / мкл) на кусок фильтровальной бумаги (приблизительно 10 мм × 10 мм). Количество бомбикол на кусок фильтровальной бумаги составляет 2000 нг.
   Примечание: Для того, чтобы проверить нормальную пешеходную поведение моли, подготовить феромона стимул картридж на этом этапе. Картридж представляет собой стекло пипетки Пастера с одним куском фильтровальной бумаги, содержащей 2,000 нг бомбикол. Толкая шарик надувает воздух, содержащий бомбикол.

5. Запах Источник локализации Эксперимент

1. Включите вентилятор аэродинамической трубы , потянув воздуха типа (1800 × 900 × 300 мм, L × Ш × В , рисунок 8) и установите скорость ветра 0,7 м / сек. Убедитесь, что температура выше 20 ° С.
2. Установите источник запаха (рIECE фильтровальной бумаги, содержащей бомбикол) вверх по течению от аэродинамической трубе.
   Примечание: Ширина струйка должна быть подтверждена до эксперимента с использованием TiCl ₄ ^17,19.
3. Включите плате микроконтроллера робота и установить последовательное подключение к ПК через Bluetooth.
4. Запуск заказных программ Java под названием "биосигнала", который обеспечивает интерфейс между компьютером и роботом.
   Примечание: Главное окно содержит кнопки для отправки команд робота, текстовые окна для отображения ввода и вывода по последовательному каналу связи, а также небольшие ящики для настройки параметров. Последующие команды посылаются, нажав соответствующие кнопки в этой программе, для захвата видео, за исключением.
5. Нажмите на кнопку "об устройстве", чтобы подтвердить соединение, посылая команду к роботу через указанный COM порт и проверьте, что сообщение возвращается роботом.
6. Нажмите на "памяткечень Erase "кнопку, чтобы стереть предыдущие данные локомоции, оставленные на борту флэш-памяти.
7. Нажмите на кнопку "drivemode1", чтобы отправить прибыли двигательные по умолчанию для робота.
   Примечание: Манипуляции усилений двигателя и временной задержки между локомоции насекомого и движения робота применяются после этого шага (см шаги 6.1 и 6.3, рисунок 9).
8. Нажмите на кнопку "Не садитесь за руль", чтобы отправить команду для иммобилизации робота, пока не начнется эксперимент.
9. Положите робота в начальной позиции (600 мм ниже по течению от источника запаха) и включите переключатель платы драйвера двигателя.
10. Нажмите кнопку записи на видеокамере, чтобы начать захват видео.
11. Нажмите на кнопку "Rec Пуск", чтобы отправить команду запуска для запуска робота с одновременной записью вращения шарика на борту флэш-памяти. Заметим, что робот начинает двигаться и отслеживает запах шлейфа.
12. Нажать на"ЗАП остановка" и "не ездят" кнопки для отправки команд, чтобы остановить как движение робота и запись, если робот локализует источник запаха.
13. Нажмите кнопку записи видеокамеры, чтобы остановить захват видео.
14. Загрузка записанных данных локомоции от бортовой флэш-памяти к компьютеру с помощью последовательного соединения. Закройте программу.

6. Манипуляция насекомых-контролируемого робота

Примечание: Время каждой манипуляции показано на рисунке 9.

1. Манипуляция прибыли моторных
   Примечание: Эта манипуляция изменяет поступательным и вращательным скорость робота. Асимметричные получает двигатель генерировать поворачивающийся уклон, который может быть использован , чтобы исследовать , как насекомые компенсации смещения ^17.
   1. Определить вращательные выгоды для прямого и обратного вращения двигателя на каждой стороне ¹⁷ (рис 6б) путем редактирования йФайл конфигурации электронной под названием "param2.txt" с помощью текстового редактора.
   2. Нажмите на кнопку "установить" Param2 прочитать измененный файл конфигурации в программе. Затем нажмите на кнопку "drivemode2", чтобы отправить манипулируют выгоды для робота.
2. Инверсия мощности двигателя
   Примечание: Эта манипуляция обеспечивает условие , аналогичное инверсии двустороннего обонятельной ввода (см шаг 6.4) и может быть использован для исследования важность двустороннего обоняния. Тем не менее, обращение мощности двигателя также инвертирует самоиндуцированной визуальное движение бортовой моли. Воздействие перевернутом самоиндуцированного визуального ввода может быть оценена путем сравнения с инвертированной обонятельной входом ^19.
   1. Обратить двустороннее управление двигателем путем пересечения кабелей управления для каждого двигателя.
3. Манипулирование временной задержки между локомоции насекомого и движением робота.
   Примечание: Эта манипуляцияпозволяет исследовать приемлемого периода времени, затрачиваемого на обработку сенсомоторного для роботизированной запаха слежения. Микроконтроллер хранит данные локомоции на буферной памяти, а затем обрабатывает его по истечении заданного времени задержки. Обратите внимание, что робот имеет максимальное внутреннее время задержки 200 мс; Таким образом, фактическая задержка по времени , как ожидается, будет указано время задержки плюс 200 мс ^16,17.
   1. Введите номер (от 0-10) в небольшом окне главного окна, чтобы задать время задержки от 0-1000 мс на 100 мс шагов.
   2. Нажмите на кнопку "установить задержки", чтобы применить временную задержку.
4. Манипулирование обонятельной ввода.
   Примечание: Эта манипуляция может быть использован для исследования важность двустороннего обонятельной ввода. Направление всплеск silkmoths смещается на стороне ^22-выше концентрации.
   1. Изменение зазора между кончиками всасывающей трубки или инвертировать свои позиции изменяютразница в концентрации запаха, приобретенной каждой антенны.
5. Манипуляция визуального ввода
   Примечание: Эта манипуляция является изучение роли визуального ввода для запаха отслеживания.
   1. Накройте навес с белой бумаги, который закупоривает 105 ° и 90 ° по горизонтали и вертикали поля зрения бортовой моли, соответственно.

Results

Приведем здесь основные характеристики робота насекомых под контролем, необходимых для успешной локализации источника запаха. Сравнение между роботом и silkmoths, эффективность системы доставки запаха, а также значение точного двустороннего обонятельных и зрительных входов проверяются.

Сравнение запаха отслеживания поведения между свободно-шагающих моли и робота насекомых управлением показан на фигуре 10А и

Discussion

Наиболее важные моменты для успешного управления роботом с помощью шелкопряда выпускающих мотылек ходить гладко на воздушном шаре при поддержке и стабильно измерять вращение мяча. Поэтому привязывать к шелкопряда и установки его на шару в соответствующем положении, являются критически важными шагами в этом протоколе. Неуместный адгезия моли к вложению или несоответствующего позиционирование моли на шаре вызовет неестественное давление на него, который возмущает ее нормальной ходьбе поведение и / или вызывает отказ оптич...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Взрослый самец шелкопряда (Bombyx mori)			Выращивается из яиц или приобретается в виде куколок.
Инкубатор	Panasonic	MIR-254	Храните куколок или взрослых особей шелкопряда при постоянной температуре, 238 л.
Пластиковая коробка	Sunplatec	O-3	Store для куколок или взрослых шелководов, 299 × 224 × 62 мм L × W & раз; Х.
Медная проволока			диаметром 2 мм для крепления. В качестве альтернативы для изготовления крепления к привязи шелкопряда можно использовать любой жесткий пруток.
Пластиковый лист	Kokuyo	VF-1420N	Продается как накладная проекторная пленка толщиной 0,1 мм. Используйте на кончике насадки.
Щипцы	как один	5SA	Удалите чешуйки на грудной клетке.
Клей	Konishi	G17	Прикрепите шелкопряда к насадке.
Управляемый насекомыми робот	Custom		Bearing, беговая дорожка с воздушной поддержкой, оптический датчик, специально изготовленные платы микроконтроллера на основе AVR и два бесщеточных двигателя постоянного тока. Он работает от 8 & раз; АА и 3 раза; Батарейки 006P.
Микроконтроллер	Atmel	ATMEGA8	компонент робота, управляемого насекомыми.
Воздуходувка постоянного тока	Nidec	A34342-55	Компонент робота, управляемого насекомыми, для перемещения мяча на беговой дорожке с воздушной опорой.
Вентилятор постоянного тока	Minebea	1606KL-04W-B50	Компонент робота, управляемого насекомыми, для всасывания воздуха, содержащего запах.
Оптический сенсор мыши	Agilent technologies	HDNS-2000	Компонент робота, управляемого насекомыми, полученный из оптической мыши (M-GUWSRSV, Elecom, Япония).
Бесщеточный двигатель	Maxon	EC-45	Компонент робота, управляемого насекомыми, для привода колеса.
Белый полистирольный шарик			Компонент робота, управляемого насекомыми. Диаметр 50 мм, масса примерно 2 г.
Бомбиколь: (E,Z)-10,12-гексадекадиен-1-ол	Шин-Эцу Химический		синтез.
n-гексан	Wako	085-00416	Растворитель для бомбицола.
Аэродинамическая труба	Custom		Pulling Air типа, размер 1 800 × 900 × 300 мм L × W & раз; Х.
Программа BioSignal	Custom		Программа для установления последовательной связи между роботом, управляемым насекомыми, и ПК через Bluetooth. Используется для отправки команд на запуск/остановку робота или настройки его моторных свойств.
Видеокамера	Sony	HDR-XR520V	Запечатлейте движения робота.