Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

Brug Insekt Electroantennogram Sensorer på selvstyrende robotter til Olfaktoriske søgninger

Published: August 4, 2014 doi: 10.3791/51704
Automatic Translation
1, 1, 2, 3, 2
1UMR 7503, Laboratoire Lorrain de Recherche en Informatique et ses Applications (LORIA), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), 2UMR 1392 iEES-Paris, Institut d'Ecologie et des Sciences de l'Environnement de Paris, 3Physics of Biological Systems, Institut Pasteur

Abstract

Robotter designet til at spore kemiske lækager i farlige industrielle anlæg 1 eller eksplosive spor i landminer felter 2 det samme problem som insekter søgning efter føde eller søger efter kammerater 3: det olfaktoriske søgning er begrænset af fysik turbulent transport 4. Koncentrationen landskab af vind bæres lugte er diskontinuert og består af sporadisk placeret patches. En forudsætning for at lugtesansen søgning er, at der registreres intermitterende lugt patches. På grund af sin høje hastighed og følsomhed 5-6, lugteorganet af insekter giver en enestående mulighed for detektion. Insekt antenner er blevet anvendt i fortiden for at detektere ikke alene kønsferomoner 7, men også kemikalier, der er relevante for mennesker, fx flygtige forbindelser stammer fra kræftceller 8 eller giftige og ulovlige stoffer 9-11. Vi beskriver her en protokol for at bruge insekt antenner på autonome robotter end præsentere et proof of concept for sporing lugt faner til deres kilde. Den globale reaktion olfaktoriske neuroner registreres in situ i form af electroantennograms (eags). Vores eksperimentelle design, baseret på en hel insekt forberedelse, giver stabile optagelser inden for en arbejdsdag. Til sammenligning EAG'er på udskårne antenner har en levetid på 2 timer. En brugerdefineret hardware / software interface blev udviklet mellem EAG elektroder og en robot. Målesystemet løser individuelle lugt patches op til 10 Hz, hvilket overstiger tidsskala af kunstige kemiske sensorer 12. Effektiviteten af ​​EAG sensorer til olfaktoriske søgninger er yderligere demonstreret i at køre robotten mod en kilde til feromon. Ved at bruge identiske olfaktoriske stimuli og sensorer som rigtige dyr, vores robot platform giver et direkte middel til afprøvning af biologiske hypoteser om olfaktoriske kodning og søgestrategier 13. Det kan også være gavnligt for at afsløre andre lugtstoffer interesser vedkombinere EAG'er fra forskellige insektarter i en Bio Elektronisk næse-konfiguration 14 eller ved hjælp af nanostrukturerede gas sensorer, der efterligner insekt antenner 15.

Introduction

I dag er dyr som hunde hyppigt anvendt i sikkerheds-og sikkerhedsprogrammer, der involverer lokalisering af kemiske lækager, narkotika og sprængstoffer på grund af deres fremragende lugt sporingskapaciteten 16. Alligevel viser de adfærdsmæssige variationer, træt efter omfattende arbejde, og kræver hyppig omskoling som deres ydeevne falder over tid 17. En måde at omgå disse begrænsninger er at erstatte trænede hunde af olfaktoriske robotter.

Ikke desto mindre, sporing dufte og lugt kilder er en stor udfordring i robotteknologi. I turbulente miljøer, landskabet af en duft Røgsøjlen er meget heterogen og ustabilt, og består af sporadisk placeret patches 4. Selv ved moderate afstande fra kilden, så korte som nogle få meter, fund bliver sporadisk og kun give signaler med mellemrum. Desuden har lokale koncentrationsgradienter løbet fund generelt ikke pege mod kilden. Given diskontinuous informationsstrøm og begrænset lokal information når opdagelser er lavet, hvordan man navigerer en robot imod kilden?

Det er velkendt, at insekter som mandlige møl bruger kemisk kommunikation til held finde deres kammerater over lange afstande (hundrede meter). At gøre det, de vedtager en stereotyp adfærd 18-20: De bølge vindretningen ved sensing en lugt patch og udføre en udvidet søgning kaldet casting når lugt information forsvinder. Denne bølge-casting strategi er rent reaktiv, er dvs handlinger helt bestemt af de aktuelle opfattelser (afsløring og ikke-afsløring hændelser). Alligevel var dens gennemførelse på olfaktoriske robotter begrænset succes i fortiden, fordi afsløring af lugt patches hæmmes af de langsommelige kunstige gas sensorer.

Metal-oxid-sensorer, der anvendes i de fleste af de olfaktoriske robotter har respons og helbredelse tider med tocifrede sekunder, så de generelt bortfiltrerekoncentrations udsving stødt på i turbulente fjer 21. I modsætning hertil responstiden for insekt chemoreceptors er meget kortere, f.eks indsvingningstiden af insekt electroantennograms (eags) er mindre end 50 msec 22. Derfor ved hjælp af insekt EAG'er er lugt impulser løses ved frekvenser på flere Hertz 23. Denne egenskab gør EAG sensorer velegnet til påvisning af lugt filamenter i naturlige faner. Vi beskriver her en protokol for indlejring insekt EAG'er om robotter giver mulighed for effektive olfaktoriske søgninger ved hjælp af bølge og støbning strategier.

Protocol

Protokollen er baseret på en kommercielt tilgængelig robot (se Materialer tabel) og mandlige møl (Agrotis ipsilon) med deres kønsferomon. Alligevel kan den tilpasses med mindre modifikationer til andre insektarter, lugtstoffer, og robotter.

1. Insekter

  1. Bageste larver af Agrotis ipsilon Hufnagel (Lepidoptera: Ugler) på en kunstig kost og fastholde dem i individuelle plastikkrus indtil pupation ved 23 ± 1 ° C og 50 ± 5% relativ fugtighed som beskrevet tidligere 24.
  2. Sex pupper og holde voksne hanner adskilt fra kvinder i plastkasser. Giv dem gratis adgang til en 20% rørsukkeropløsning.
  3. Udføre eksperimenter med hanner. Mandlige møl er meget følsom over for sex feromon, der udsendes af deres conspecifikt hunner. I A. ipsilon, de store feromon komponent, cis-7-dodecenyl acetat (Z7-12: OAc) er den mest aktive forbindelse på antennen.
FSNIT "> 2.. Elektrofysiologi

  1. Optag EAG fra en hel-insekt præparat, som beskrevet nedenfor (figur 1A). Er intakte antenner foretrækkes frem udskåret antenner, fordi de udviser en længere levetid (se repræsentative resultater).
  2. Chlorinate to sølvtråde ved nedsænkning i koncentreret blegemiddel løsning for 10-20 min og skyl bagefter. Denne fremgangsmåde forhindrer elektroderne polariserende. Det skal gentages, hver gang baseline driver under forsøg, eller når offset spænding mellem elektroderne bliver for stor til at blive opvejet af forstærkeren.
  3. Gør glaselektroder fra brand poleret kapillærer med en elektrode aftrækker. Fire polering forhindrer ridse chlorerede sølvtråd med elektroder.
  4. Bedøver en mandlig møl med CO 2 og placere den i en Styrofoam blok med hovedet stikker ud fra toppen.
  5. Binde insekt hoved med malerens tape rundt om halsen.
  6. Indsæt en sølvtråd tjener som reference elektrode ind i halsen.
  7. Under et stereomikroskop, immobilisere en af ​​antenner med tynde strimler af malerens tape på spidsen og basen.
  8. Klip de distale 2-3 segmenter af antenne med kirurgisk saks.
  9. Placer glaselektroden nær snittet spidsen af ​​antenne med en mikro-manipulator.
  10. Skær enden af ​​kapillarrøret med en pincet for at opnå en diameter lidt større end cut spidsen af ​​antennen.
  11. Fyld glaspipette med (i mM) 6.4 KCI, 340 glucose, 10 Hepes, 12 MgCI2, 1 CaCl2, 12 NaCl, pH 6,5.
  12. Sæt skære spidsen af ​​antennen i glasset kapillar med mikromanipulator.
  13. Slip sølv wire tjener som optagelsen elektrode ind i den største ende af kapillarrøret.

3.. Hardwareinterface

  1. Monter hele præparat, dvs insekt-elektroder-mikromanipulator, på en metalplade skruet på toppen af robotten (figur 1B). Elektroderne tilsluttes til robotten, som beskrevet nedenfor.
  2. Baseret på tidligere værker 25-26, designe en hardware-grænseflade til at tilpasse EAG udgangsspænding (rækkefølge 1 mV ved flere MOhm) til det område passende for forlængelsen bestyrelsen for robotten. Bestyrelsen accepterer 0-5 V analoge indgange og en negativ spænding under -200 mV kan forårsage alvorlig skade. Følg trin 3.2.1 til 3.2.4 til at designe grænsefladen med Eagle.
    1. Design en ± 5V strømforsyning fra et +12 V batteri med spænding regulator 78L10 (① i figur 2A-2C).
    2. Design et hovedtrin forforstærker (10X) baseret på instrumentering forstærker INA121 (③ i figur 2A-2C).
    3. Design en anden fase forstærker (25X) med støj filtrering (første ordre high-pass 0,1 Hz filter, andenordens low-pass 500 Hz filter, hakket 50 Hz filter) baseret på quad op-amps LT1079 (315; i figur 2A-2C).
    4. Design et signal konditionering scene, der beregner med op-amp LT1079 og diode 1N4148 (⑤ i figur 2A-2C). Den samlede gevinst er 250 og EAG output er på 0-5 V med nul være på 2,5 V.
  3. Forbind elektroderne til differentiale EAG indgange (② i figur 2A-2C). Tilslut elektrode til den inverterende indgang af INA121 for at opnå positive EAG'er.
  4. Slut EAG output (⑥ i figur 2A-2C) til de 12 analoge indgange på forlængelsen bestyrelsen for robotten. Da hver indgang læses sekventielt hvert millisekund, samplingsfrekvensen er 1 kHz.

4.. Software interface

Hovedgevindene indeholde en grafisk brugergrænseflade (GUI), metoder til påvisning signal og forskellige funktioner til styring af robotten.

  1. Skriv en GUI (Figur 2D) i Qt-C + + fo r data visualisering, digital filtrering (20 Hz 5. ordens Butterworth low pass filter) og lugt afsløring fra EAG. Sidstnævnte kan udføres på to måder: enten ved at deconvolving EAG med et passende filter (engineering tilgang, afsnit 4.2), eller ved at modellere de neurale mekanismer, der giver hurtig og pålidelig feromon detektion i A. Ipsilon møl (bioinspired tilgang, afsnit 4.3).
  2. Dekonvolution filteret. EAG er godt beskrevet ved en ikke-lineær kaskade 27, der består af en statisk ulinearitet Ligning 1 og en 1. orden lavpasfilter med eksponentiel impuls funktion Ligning 2 til Ligning 3 Se figur 3A. Som svar på svingende lugt koncentrationlængelse 4 "fo: content-width =" 0.3in "src =" / files/ftp_upload/51704/51704eq4.jpg "/>, er EAG output givet ved foldningsintegralet Ligning 5 . Deconvolution er simpelthen opnås ved den inverse af systemet; der er Ligning 6 i frekvensdomænet. Derefter Ligning 7 som Fouriertransformation af impulssvaret er Ligning 8 . Til påvisning signal, skal du følge trin 4.2.1 til 4.2.3.
    1. Udfør deconvolution proces i tidsdomænet som Ligning 9 og Ligning 10 Figur 3B. Tilnærme linearitet Ligning 11 en polynomium. Monter polynomium parametre og den tid konstant på input-output data par for at minimere den gennemsnitlige kvadratiske fejl mellem reel Ligning 4 og rekonstrueret Ligning 12 koncentration lugt.
    2. Registrere de feromon hits hver gang Ligning 12 overstiger en foruddefineret tærskelværdi.
  3. Neuromorfiske detektor. En alternativ fremgangsmåde til detektion består i at efterligne biologi. I A. Ipsilon møl, centrale neuroner, der modtager input fra antennen reagere på feromon med en stereotyp fyring mønster af excitation-hæmning 13. En Hodgkin-Huxley type neuron model med fire ionstrømme Ligning 13 (A forsinkede ensretter K +-strømmen, spændingsstyrede Na + og Ca2 +-strømme, en lille ledningsevne Ca2 +-afhængige K +-strøm) er tidligere blevet udviklet til at gengive de observerede fysiologiske reaktioner 13. Til påvisning signal, skal du følge trin 4.3.1 til 4.3.3.
    1. Gennemføre neuron model som differentialligninger. Brug EAG signal som input strøm Ligning 14 i udviklingen af ​​membranpotentialet Ligning 15 . Brug en membran kapacitans C = 22,9 pF og en læk strøm givet ved Ligning 16 med ledningsevne g L = 0.011161 mikrosekunder ogtilbageførsel potentiel E L = -61,4 mV. Ionstrømmene er beskrevet af Ligning 17 med Ligning 18 ved hvor Ligning 19 er ulineære funktioner af V. Se tidligere arbejde 13 for detaljerne.
    2. Simuler neuron model i realtid med Sirene ved at integrere de differentialligninger med en 4. orden Runge-Kutta-metoden og en tid skridt Ligning 20 = 0.01 msek. Kør spike test V (t f)> 0 mV og V (t f - Ligning 20 ) <0 mV online for at opnå spike gange, og interspike intervaller.
    3. Detektereferomon hits, når en byge af excitation (3 på hinanden følgende interspike intervaller <70 ms) er efterfulgt af hæmning (interspike interval ≥ 350 millisekunder), se figur 3C.

Representative Results

Protokollen beskrevet ovenfor blev først testet med korte 20 msek impulser af feromon (dosis 1 ug og 10 ug) direkte puffede på antennen. 4A viser EAG'er reaktion på feromon impulser. De er positive, fordi elektrode blev forbundet til den inverterende indgang af forstærkeren, som beskrevet i trin 3.3. Som det fremgår af kraftspektret, målesystemet er i stand til at løse feromon pulser op til 10 Hz. Til sammenligning testede vi også en kommercielt tilgængelig gassensor. Den TGS2620 er et metal oxide sensor fremstillet til påvisning af dampe. Selvom føleren viser en høj følsomhed over for ethanol, var det i stand til at følge variationer i koncentrationen (se den stiplede kurve i figur 4B). Problemet kom fra sensorhuset. Den TGS2620 kommercialiseres med en hætte, der har et flamme-bevis rustfrit stål gaze. Responstiden er langsom, fordi det i praksis tager envis tid for gassen til at diffundere gennem gaze og nå metaloxidoverfladen. Recovery er også langsom, fordi det tager tid at rense sensoren, når gassen er fanget inde i hætten. Vi fjernede derfor hætten og denne ændring forbedret dynamikken betydeligt (se sletten kurve i figur 4B). Men der var en faktor ti mellem EAG og TGS2620 (10 Hz versus 1 Hz). Denne sammenligning er dog kvalitative EAG og TGS2620 blev ikke testet i de samme betingelser.

Vi derefter vurderet stabiliteten over tid hel-insekt vores forberedelse (n = 12 møl) sammenlignet med udskåret antenner (n = 7 antenner). EAG blev indspillet periodisk reaktion på feromon stimulationer (varighed 500 msek, dosis 1 ug). Rå EAG'er (i mV) blev konverteret til relative EAG'er (procenter af initial værdi fås ved henvendelse til tiden t = 0). Figur 5 viser meget god stabilitet i vores hel-insekt prepbejdelsen inden for en arbejdsdag. I modsætning hertil, indspillet EAG'er på isolerede antenner falde hurtigt over tid, så signalet falder til halvdelen af ​​sin oprindelige værdi efter kun 1,5 time. Denne tidsafhængighed er godt beskrevet ved en eksponentiel henfald med en levetid på 2 timer.

Endelig testede vi evnen af EAG robot plateform for at søge efter en lugt kilde (feromon forbindelse Z7-12: OAc) under anvendelse af en reaktiv søgestrategi (figur 6A). Søgestrategien kombinerer vindretningen bølge hver gang feromon detekteres med spiral støbning i fravær af påvisninger 28. Detekteres tilstedeværelsen af ​​feromon fra EAG af neuromorfiske detektor, som beskrevet i trin 4.3. To eksempler på EAG optaget under søgningen er vist i figur 6B. Uden lugt kilde, EAG forbliver omkring nul (dvs. 2,5 V) med meget få eller ingen påvisninger. Robotten udfører spiral støbning og generelt efterlader søgning plads befmalm nå målet placering (i 92% af forsøgene, n = 26 forsøg, 6C højre). Med lugt kilde (Figur 6C venstre), EAG præsenterer byger af aktivitet (påvisninger) sammenflettet med perioder med stilhed (ingen påvisninger). Spiral støbning sker hovedsageligt på fanens konturer (Figur 6C venstre, rød linje) og synes at være en effektiv strategi for at flytte fanens centerlinie, når lugten er tabt. I denne tilstand er kilden generelt fundet (succesrate = 96%, n = 44 forsøg).

Figur 1
Figur 1.. Whole-insekt EAG forberedelse og robot setup. A) electroantennogram (EAG) er optaget fra en hel-insekt forberedelse (se tekst for detaljer). B) Præparatet er monteret på røveot. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2
Figur 2.. Hardware-software interface. A) Eagle skematisk af hardware. Kredsløbet består af seks sektioner (se tekst for detaljer). Det giver filtrering (frekvensbåndet 0,1-500 Hz, hak ved 50 Hz), forstærkning (samlet gevinst 250X) og signalbehandling på 0-5 V. B) Eagle layout viser linjer af kobber (den øverste er i rødt, og bund i blå) og hullerne (i grønt). C) printkort (PCB), der viser de diskrete elementer. D) Grafisk brugerflade (GUI) skrevet i Qt-C + + for data visualisering (rød spor = EAG-indgang, grøn spor= Neuron model output), filter design og afsløring signal. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3
Figur 3.. Signalgenkendelse fra EAG. A) Electroantennogram (EAG) model. EAG er modelleret af en ulineær kaskade 27, der består af en statisk ulinearitet efterfulgt af et 1. orden lavpasfilter med eksponentiel impulsfunktion Ligning 21 . EAG output er givet ved foldning integrerende Ligning 22 . B) Engineering tilgang. Deconvolution filtis skriver Ligning 23. og Ligning 24 , Se tekst for detaljer. Lugt møder (hits) registreres, når Ligning 12 overskrider en foruddefineret tærskel. C) Bio-inspirerede tilgang. En Hodgkin-Huxley typen neuron model med fem indre strømme (lækage, K +, Na +, Ca 2 + og SK), der bruges til at reproducere den observerede fyring mønster af excitation-hæmning (EI) observeret eksperimentelt 13.. Til detektion signal, EAG, der bruges som detekteres indgangsstrøm og hits, når en byge af excitation efterfulgt af inhibering i affyringen aktivitet.

Figur 4 < br /> Figur 4.. EAG responstid. A) EAG optagelser i respons på 20 msek feromon impulser (dosis 1 ug og 10 ug) leveret på forskellige satser (1, 2, 4, 6, 8 og 10 pulser / sek). Den normaliserede EAG kraftspektret er vist for en stimulus pulseret ved 1 og 10 Hz (dosis 1 ug og 10 ug). EAG løser individuelle impulser op til 10 Hz. B) Optagelser fra gas-sensor TGS2620 reaktion på ethanol (svingende koncentration). De punkterede og almindelig kurver er sensorens reaktion med og uden hætte, hhv. Sensoren med hætten har en responstid på snesevis af sekunder og kan derfor ikke følger udsvingene i gaskoncentration. Den TGS2620 uden hætte løser individuelle udsving op til 1 Hz. Klik her for at se en større version af dette tal.

altid "> Figur 5
Figur 5. EAG stabilitet (hele forberedelse insekt vs udskåret antenne). EAG blev registreret hver time i løbet af 8 timer til fremstilling af hele insekt (n = 12 møl) og hver 20 min i løbet af 3,2 time i udskåret antenner (n = 7 antenner). Figuren viser relative EAG'er (procenter af initial værdi opnået til tiden t = 0). Tiden afhængighed for udskåret antenner er godt udstyret med en eksponentiel henfald med en levetid på 2 timer (halveringstid på 1,5 time).

Figur 6
Figur 6.. Robotic eksperimenter. A) Den kraftige stigning-casting strategi kombinerer vindretningen stigning itilstedeværelsen af lugt med spiral støbning i sit fravær 28. B) Typisk EAG registreret under søgning, mens robotten er i bevægelse (med og uden duft). C) Robot baner med lugt (n = 44 forsøg), og uden lugt (n = 26 forsøg). Den røde stiplede linje repræsenterer røgfanen kontur, hvor 90% af alle fund opstod under forsøgene. Eksperimentelle betingelser: søgning plads = 4 mx 2,5 m, robottens hastighed = 5,6 cm / sek, target = 10 ug feromon aflejret på et papir filter og erstattet hver 2 forsøg robot indledende placering = 2 m fra målet, vindhastighed = 0,9 ± 0,2 m / sek ved målplaceringen. Klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

Næsten tyve år siden, Kanzaki og hans kolleger banebrydende ideen om at bruge EAG'er på olfaktoriske robotter 29-30. Deres teknik blev oprindeligt baseret på udskåret antenner. Her indspillede vi fra intakt antenner for at forbedre følsomheden og levetiden af ​​præparatet. Andre undersøgelser 31-32 bemærkede også overlegenhed hele kroppen præparater end isolerede antenner. I vores robot eksperimenter, oplevede vi stabile optagelser inden for en dag. I modsætning hertil optages EAG'er på isolerede antenner har en levetid på 2 timer (figur 5).

Vores EAG-robot platform er primært udviklet til at teste biologiske hypoteser om olfaktoriske kodning og søgestrategier i insekter 13. Svarende til centrale neuroner, der modtager input fra insekt antenner, forbundet vi et neuron model til en rigtig møl antenne på en robot og udført feromon detektion baseret på dens fyring mønster. Detection og ikke-afsløring begivenheder varderefter anvendes til at drive robotten imod kilden feromon. Den reaktive søgestrategi betragtes her var inspireret af de adfærdsmæssige mønstre af mandlige møl tiltrukket af en kønsferomon. Det klarede sig godt under laboratoriebetingelser (fig. 6), der tillader lokalisering af en lav emissionskilde (feromon dosis på 10 ug i vores tilfælde versus 10 mg i tidligere arbejde 24) i en forholdsvis stor søgning plads (oprindelig afstand fra kilden 2 m versus 10 cm i tidligere forsøg 20-21).

Disse robot eksperimenter bør betragtes som et proof of concept viser, at insekt antenner er egnet til robot olfaktoriske søgninger. Selvom vides insekt antenner til at reagere på giftige gasser, narkotika og sprængstoffer 9-11, er der behov for flere udvidelser til at håndtere virkelige verden applikationer. For det første kan en mere sofistikeret søgemetode 34-36 være mere effektive på afstande over 10 m, når generhvervelsefanens bliver meget usandsynlig. For det andet kan det være nødvendigt at kombinere EAG'er fra forskellige arter i en bio-elektronisk næse-konfiguration 14 for at opdage lugtstoffer interesser. For det tredje kan stereo sensing kapaciteter opnået ved optagelse fra de to antenner af samme insekt vise sig gavnlig med hensyn til effektivitet. To sensorer ansat i parallel kan faktisk øge retningsbestemmelse. For det fjerde, udvidelser af søgestrategi til kollektive robot søgninger 37 er burde være i betragtning til praktiske anvendelser, selv om de ikke er biologisk relevant i tilfælde af møl.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Agrotis ipsilon PISC
http://www-physiologie-insecte.versailles.inra.fr/indexenglish.php		 moth
Robot Khepera III K-team
www.k-team.com		 Khe3Base + KorBotLE + KorWifi
KoreIOLE K-team Input/output extension board
EAG-robot interface LORIA
www.loria.fr		 Custom-made hardware and software
Sirene LORIA  neuronal simulator sirene.gforge.inria.fr
Eagle CadSoft www.cadsoftusa.com PCB design software
Micromanipulator Narishige / Bio-logic UN-3C
Magnet base Narishige/ Bio-logic USM-6
Adapter Narishige/ Bio-logic UX-6-6
Rotule Narishige/ Bio-logic UPN-B
Micro scisors MORIA / Phymep 15371-92
Stereo microscope Zeiss Stémi 2000 Fisher Scientific B19961
Light source 20 W KL200 Fisher Scientific W41745
Narishige PC-10 Na PC-1 Narishige Narishige PC-10
Capillaries Na PC-1 Fisher scientific C01065
Pheromone cis-7-Dodecenyl acetate(Z7-12:OAc) Sigma-Aldrich 259829
Pack of 3 pipettes: 2-20 µl/ 50-200 µl/ 100-1,000 µl Eppendorf 4910000514 For pheromone dilution and deposition on paper filter
Gas sensor TGS2620  Figaro www.figarosensor.com Optional, for comparison with EAG
Electrode puller Narishige  PC-10

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Russel, R. A. World Scientific Series in Robotics and Intelligent Systems. Odour detection by mobile robots. , 232 (1999).
  2. Woodfin, R. L. Trace chemical sensing of explosives. , John Wiley and Sons. 496 (2006).
  3. Wyatt, T. D. Pheromones and animal behavior. , second edition, Cambridge University Press. (2013).
  4. Weissburg, M. The fluid dynamical context of chemosensory behavior). Biol. Bull. 198, 188-202 (2000).
  5. Angioy, A. M., Desogus, A., Barbarossa, I. T., Anderson, P., Hansson, B. S. Extreme Sensitivity in an Olfactory System. Chem. Senses. 28 (4), 279-284 (2003).
  6. Kaissling, K. -E. The Sensitivity of the insect nose: the example of Bombyx mori. Biologically inspired signal processing. Marco, , Springer Verlag. Berlin Heidelberg. 45-52 (2009).
  7. Sauer, A. E., Karg, G., Koch, U. T., Dekramer, J. J., Milli, R. A portable EAG system for the measurement of pheromone concentration in the field. Chem. Senses. 17 (5), 543-553 (1992).
  8. Strauch, M., et al. More than apples and oranges - Detecting cancer with a fruit fly's antenna. Scientific reports. 4 (3576), 1-9 (2014).
  9. Marshall, B., Warr, C. G., de Bruyne, M. Detection of Volatile Indicators of Illicit Substances by the Olfactory Receptors of Drosophila melanogaster. Chem. Senses. 35 (7), 613-625 (2010).
  10. Rains, G. C., Tomberlin, J. K., Kulasiri, D. Using insect sniffing devices for detection. Trends Biotechnol. 26 (6), 288-294 (2008).
  11. King, T. L., Horine, F. M., Daly, K. C., Smith, B. H. Explosives detection with hard-wired moths. IEEE Trans. Instrumentation and Measurement. 53 (4), 1113-1118 (2004).
  12. Gardner, J., Bartlett, P. Electronic noses. , Oxford University Press. (1999).
  13. Martinez, D., et al. Multiphasic On/Off pheromone signaling in moths as neural correlates of a search strategy. PLoS ONE. 8 (4), (2013).
  14. Park, K. C., Ochieng, S. A., Zhu, J., Baker, T. C. Odour discrimination using insect electroantennogram responses from an insect antennal array. Chem. Senses. 27, 343-352 (2002).
  15. Spitzer, D., et al. Bio-Inspired Nanostructured Sensor for the Detection of Ultralow Concentrations of Explosives. Angewandte Chemie. 51 (22), 5334-5338 (2012).
  16. Furton, K. G., Myers, L. J. The scientific foundation and efficacy of the use of canines as chemical detectors for explosives. Talanta. 54, 487-500 (2001).
  17. Williams, M., Johnston, J. M. Training and maintaining the performance of dogs (Canis familiaris) on an increasing number of odor discriminations in a controlled setting. Applied Animal Behaviour Science. 78, 55-65 (2002).
  18. Murlis, J., Elkinton, J. S., Cardé, R. T. Odour plumes and how insects use them. Annu. Rev. Entomol. 37, 505-532 (1992).
  19. Kaissling, K. E. Pheromone-controlled anemotaxis in moths. Orientation and communication in Arthropods. Lehler, M. , Birkhäuser Verlag. Basel/Switzerland. 343-374 (1997).
  20. Vickers, N. J. Mechanisms of animal navigation in odor plumes. Biol. Bull. 198, 203-212 (2000).
  21. Martinez, D., Rochel, O., Hugues, E. A biomimetic robot for tracking specific odors in turbulent plumes. Autonomous Robot, Special Issue on Mobile Robot Olfaction. 20, 185-195 (2006).
  22. Szyszka, P., Stierle, J. S., Biergans, S., Galizia, C. G. The Speed of Smell: Odor-Object Segregation within Milliseconds. PLoS ONE. 7, (2012).
  23. Bau, J., Justus, K. A., Loudon, C., Cardé, R. T. Electroantennographic resolution of pulsed pheromone plumes in two species of moths with bipectinate antennae. Chem Senses. 30, 771-780 (2005).
  24. Barrozo, R. B., Gadenne, C., Anton, S. Switching attraction to inhibition: mating-induced reversed role of sex pheromone in an insect. J. Exp. Biol. 213, 2933-2939 (2010).
  25. Land, B. R., Wyttenbach, R. A., Johnson, B. R. Tools for physiology labs: an inexpensive high-performance amplifier and electrode for extracellular recording. J. Neuroscience Methods. 106, 47-55 (2001).
  26. Ortiz, L. A mobile electrophysiology board for autonomous robotics. Master thesis. , The University of Arizona. (2006).
  27. Justus, K. A., Cardé, R. T., French, A. S. Dynamic Properties of Antennal Responses to Pheromone in Two Moth Species. J. Neurophysiol. 93, 2233-2239 (2005).
  28. Martinez, D., Moraud, E. M. Reactive and cognitive search strategies for olfactory robots. Neuromorphic Olfaction, Frontiers in Neuroengineering Series. Persaud, K. .C., Marco, S., Gutierrez-Galvez, A. , CRC Press. (2013).
  29. Kuwana, Y., Shimoyama, I., Miura, H. Steering control of a mobile robot using insect antennae. Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. , Pittsburgh, PA. (1995).
  30. Kuwana, Y., Nagasawa, S., Shimoyama, I., Kanzaki, R. Synthesis of the pheromone-oriented behaviour of silkworm moths by a mobile robot with moth antennae as pheromone sensors. Biosensors and Bioelectronics. 14, 195-202 (1999).
  31. Myrick, A. J., Park, K. C., Hetling, J. R., Baker, T. C. Detection and discrimination of mixed odor strands in overlapping plumes using an insect-antenna-based chemosensor system. J. Chem. Ecol. 35, 118-130 (2009).
  32. Myrick, A. J., Park, K. C., Hetling, J. R., Baker, T. C. Real-time odor discrimination using a bioelectronic sensor array based on the insect electroantennogram. Bioinspiration and Biomimetics. 3, (2008).
  33. Vickers, N. J., Christensen, T. A., Baker, T. C., Hildebrand, J. G. Odour-plume dynamics influence the brain's olfactory code. Nature. 410, 466-470 (2001).
  34. Vergassola, M., Villermaux, E., Shraiman, B. I. 'Infotaxis' as a strategy for searching without gradients. Nature. 445, 406-409 (2007).
  35. Martin-Moraud, E., Martinez, D. Effectiveness and robustness of robot infotaxis for searching in dilute conditions. Frontiers in neurorobotics. , (2010).
  36. Masson, J. -B. Olfactory searches with limited space perception). PNAS. 110, 11261-11266 (2013).
  37. Masson, J. -B., Bailly Bechet, M., Vergassola, M. Chasing information to search in random environments. J. Phys. A: Math. Theor. 42, (2009).

Tags

Neuroscience robotteknologi electroantennogram EAG gas-sensor elektronisk næse olfaktoriske søgning bølge-og støbning møl insekter lugtesansen neuron
Brug Insekt Electroantennogram Sensorer på selvstyrende robotter til Olfaktoriske søgninger
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Martinez, D., Arhidi, L., Demondion, … More

Martinez, D., Arhidi, L., Demondion, E., Masson, J. B., Lucas, P. Using Insect Electroantennogram Sensors on Autonomous Robots for Olfactory Searches. J. Vis. Exp. (90), e51704, doi:10.3791/51704 (2014).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter