Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Bruke insekt Electroantennogram Sensorer på autonome roboter for Olfactory søk

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

Roboter designet for å spore kjemiske lekkasjer i farlige industrianlegg en eller eksplosive spor i landmine felt to møte det samme problemet som insekter foraging for mat eller lete etter kameratene 3: lukte søket er begrenset av fysikken i turbulent transport fire. Konsentrasjonen landskapet av vindbåren lukt er usammenhengende og består av sporadisk plassert patcher. En forutsetning for å lukte søk er at intermitterende lukt patcher er oppdaget. På grunn av sin høye hastighet og følsomhet 5-6, lukteorgan insekter gir en unik mulighet for deteksjon. Insekt antenner har blitt brukt i det siste til å oppdage ikke bare sex feromoner 7, men også kjemikalier som er relevant for mennesker, for eksempel, flyktige forbindelser som kommer fra kreftceller 8 eller giftige og illegale stoffer 9-11. Vi beskriver her en protokoll for bruk av insekt antenner på autonome roboter end presentere et bevis på konseptet for sporing av lukt fjær til sin kilde. Den globale responsen av olfactory nerveceller er spilt in situ i form av electroantennograms (eags). Vår eksperimentell design, basert på en hel insekt forberedelse, tillater stabile opptak innen en arbeidsdag. Til sammenligning eags på skåret antennene har en levetid på to timer. En tilpasset hardware / software grensesnitt ble utviklet mellom EAG elektroder og en robot. Det målesystem løser individuelle lukt plastre opp til 10 Hz, som overskrider tidsskala på kunstige kjemiske sensorer 12. Effektiviteten av EAG sensorer for lukt søkene er ytterligere demonstrert i å drive roboten mot en kilde for feromon. Ved å bruke identiske olfactory stimuli og sensorer som i ekte dyr, gir vår robot-plattformen en direkte måte for å teste biologiske hypoteser om lukte koding og søkestrategier 13. Det kan også være gunstig for å oppdage andre luktstoffer av interesser vedkombinere eags fra forskjellige insektarter i en Bioelectronic nese konfigurasjon 14 eller ved hjelp av nanostrukturerte gass-sensorer som etterligner insekt antenner 15.

Introduction

I dag er dyr som hunder ofte brukt i sikkerhets-og sikkerhetsprogrammer som innebærer lokalisering av kjemiske lekkasjer, narkotika og eksplosiver på grunn av sine gode lukten deteksjon 16. Likevel viser de atferdsmessige variasjoner, blir lei etter et omfattende arbeid, og krever hyppig omskolering som deres prestasjoner avtar over tid 17. En måte å omgå disse begrensningene er å erstatte trente hunder av olfactory roboter.

Likevel, sporing luktene og luktkilder er en stor utfordring i robotikk. I turbulente omgivelser, er landskapet av en lukt skyen svært heterogen og ustø, og består av sporadisk plassert patcher fire. Selv på moderate avstander fra kilden, så kort som noen meter, påvisninger blir sporadisk og bare gi pekepinner midlertidig. Videre gjør lokale konsentrasjonsgradient under deteksjoner generelt ikke peker mot kilden. Gitt plateontinuerlig flyt av informasjon og begrenset lokal informasjon når påvisninger er gjort hvordan du navigerer en robot mot kilden?

Det er velkjent at insekter som mannlige møll bruke kjemisk kommunikasjon for å kunne lokalisere sine kamerater over lange avstander (hundrevis av meter). For å gjøre dette, de vedta en stereotyp atferd 18-20: de surge motvind på sensing en lukt patch og utføre et utvidet søk kalt casting når lukt informasjon forsvinner. Denne bølge-avstøpning strategi er rent reaktiv, dvs. handlinger helt bestemt av dagens oppfatninger (gjenkjenning og ikke-gjenkjenning events). Likevel, dens implementering på olfactory roboter hadde begrenset suksess i det siste fordi påvisning av lukt patcher er hemmet av treghet av kunstige gass-sensorer.

Metal-oksid sensorer som brukes i de fleste av olfactory roboter har respons og utvinning tider på flere titalls sekunder slik at de generelt filtrere utkonsentrasjonssvingninger som oppstår i turbulente fjær 21. I kontrast, er responstiden til insekts chemoreceptors mye kortere, for eksempel, er mindre enn 50 msek 22 stigningstiden for insekt electroantennograms (eags). Følgelig, ved å bruke insekt eags, er lukt pulser løst ved frekvenser på flere Hertz 23.. Denne egenskapen gjør EAG sensorer godt egnet for påvisning av luktfilamenter i naturlige fjær. Vi beskriver her en protokoll for innebygging insekt eags på roboter som åpner for effektiv lukte søk ved hjelp av surge og støping strategier.

Protocol

Protokollen er basert på en kommersielt tilgjengelig robot (se Materialer tabell) og mannlige møll (Agrotis ipsilon) med sine sex feromon. Likevel kan det være tilpasset med små modifikasjoner til andre insektarter, luktstoffer, samt roboter.

En. Insekter

  1. Bakre larver av Agrotis ipsilon Hufnagel (Lepidoptera: Noctuidae) på en kunstig diett og opprettholde dem i individuelle plastkopper inntil forpupping ved 23 ± 1 ° C og 50 ± 5% relativ fuktighet, som tidligere beskrevet 24.
  2. Sex puppe og holde voksne menn separat fra kvinner i plastbokser. Gi dem fri tilgang til en 20% sukroseløsning.
  3. Utfør eksperimenter med hanner. Mann møll er svært følsomme for sex feromon slippes ut av sine conspecific hunner. I A. ipsilon, som utgjør hovedkomponenten feromon, cis-7-dodecenyl-acetat (Z7-12: OAc) er den mest aktive forbindelse på antennen.
itle "> to. Electrophysiology

  1. Noter EAG fra en hel-insekt preparat, som beskrevet nedenfor (figur 1A). Blir Intakte antenner foretrukket over excised antenner, fordi de oppviser en lengre levetid (se representative resultater).
  2. Chlorinate to sølv ledninger ved nedsenkning i konsentrert blekemiddel løsning for 10-20 min og skyll etterpå. Denne prosessen hindrer elektrodene fra polariserende. Det må bli gjentatt hver gang referanse driver ved eksperimenter eller når forskyvningsspenning mellom elektrodene blir for stor til å bli kompensert av forsterkeren.
  3. Gjør glasselektroder fra brann polerte kapillærer med en elektrode avtrekker. Brann polering hindrer riper i klorert sølv wire med elektroder.
  4. Anesthetize en mannlig møll med CO 2 og plassere den i en isoporblokk med hodet stikker ut fra toppen.
  5. Tjore insektet hode med malerens tape rundt halsen.
  6. Sett inn en sølv wire som fungerer som referanse elektrode inn i nakken.
  7. Under et stereomikroskop, immobilisere en av antennene med tynne strimler av malerens tape på tuppen og base.
  8. Klipp ut distale 2-3 segmenter av antennen med kirurgisk saks.
  9. Plasser glasselektrode i nærheten av kuttet spissen av antennen med en mikromanipulator.
  10. Skjær ut ytterste ende av glasset kapillær med pinsett for å få en diameter som er litt større enn dele spissen av antennen.
  11. Fyll glass pipette med (i mM) 6,4 KCl, 340 glukose, 10 Hepes, 12 MgCl 2, 1 CaCl 2, 12 NaCl, pH 6,5.
  12. Sett kuttet tuppen av antennen i glass kapillær med mikromanipluatoren.
  13. Slip sølvtråd som tjener som opptakselektrode i den største ende av glasskapillære.

Tre. Hardware Interface

  1. Monter hele forberedelse, dvs. insekt-elektroder-mikromanipulator, på en metallplate skrudd på toppen av roboten (figur 1B). Koble elektrodene til roboten, slik det er beskrevet nedenfor.
  2. Basert på tidligere arbeider 25-26, utforme et maskinvaregrensesnitt for å tilpasse EAG utgangsspenning (for 1 mV på flere MΩ) til et område som tilsvarer utvidelsen styre roboten. Styret godtar 0-5 V analoge innganger og en negativ spenning under -200 mV kan forårsake alvorlig skade. Følg fremgangsmåten 3.2.1 til 3.2.4 å designe grensesnittet med Eagle.
    1. Design en ± 5V strømforsyning fra en 12 V batteri ved hjelp av spenningsregulator 78L10 (① i figurene 2A-2C).
    2. Design en heads forforsterker (10X) basert på instrumentering forsterker INA121 (③ i figurene 2A-2C).
    3. Design en andre-trinns forsterker (25X) med støyfiltrering (første orden high-pass 0,1 Hz filter, andre for low-pass 500 Hz filter, hakk 50 Hz filter) basert på quad op-forsterkere LT1079 (315; i figurene 2A-2C).
    4. Design et signal condition scenen som beregner med op-amp LT1079 og diode 1N4148 (⑤ i figurene 2A-2C). Den totale gevinsten er 250 og EAG produksjonen er i størrelsesorden 0-5 V med null er på 2,5 V.
  3. Koble elektrodene til differensial EAG innganger (② i figurene 2A-2C). Koble opptakselektrode til den inverterende inngang til INA121 å oppnå positive eags.
  4. Koble EAG utgang (⑥ i figurene 2A-2C) til de 12 analoge innganger av ekspansjonskort av roboten. Ettersom hver inngang blir lest sekvensielt hvert millisekund, er samplingsfrekvensen 1 KHz.

4. Programvaregrensesnitt

Hoved tråder inneholder et grafisk brukergrensesnitt (GUI), fremgangsmåter for signaldeteksjon og ulike funksjoner for styring av roboten.

  1. Skriv en GUI (figur 2D) i Qt-C + + fo r data visualisering, digital filtrering (20 Hz 5 th orden Butterworth lavpassfilter) og lukt deteksjon fra EAG. Sistnevnte kan utføres på to måter: enten ved deconvolving EAG med et egnet filter (engineering tilnærming, pkt. 4.2), eller ved å modellere nevrale mekanismer som tillater rask og pålitelig feromon deteksjon i A. ipsilon møll (bioinspired tilnærming, pkt. 4.3).
  2. Deconvolution filter. Den EAG er godt beskrevet av en ikke-lineær kaskade 27 som består av en statisk nonlinearity Ligning 1 og en 1 st for low-pass filter med eksponentiell impuls funksjon Ligning 2 for Ligning 3 , Se figur 3A. I respons til varierende lukt konsentrasjonsituasjonen 4 "fo: content-width =" 0.3in "src =" / files/ftp_upload/51704/51704eq4.jpg "/>, EAG utgang er gitt ved konvolusjon integral Ligning 5 . Dekonvolusjon blir ganske enkelt oppnådd ved den inverse av systemet; det vil si Ligning 6 i frekvensdomenet. Deretter Ligning 7 som den Fourier-transformerte av impulsresponsen er Ligning 8 . For signaldeteksjon, følg trinn 4.2.1 til 4.2.3.
    1. Utfør-dekonvolusjon prosessen i tidsdomenet som Ligning 9 og Ligning 10 , Figur 3B. Omtrentlige linearitet Ligning 11 av en polynomisk funksjon. Monter polynomet parametere og tiden konstant på input-output dataparene for å minimere den midlere kvadratiske feilen mellom ekte Ligning 4 og rekonstruert Ligning 12 lukt konsentrasjon.
    2. Oppdage feromon treff når Ligning 12 overskrider en forhåndsdefinert terskel.
  3. Nevromorf detektor. En alternativ tilnærming til deteksjons består i å etterligne biologi. I A. ipsilon møll, sentrale nevroner som mottar innspill fra antennen svare på feromon med en stereotype avfyring mønster av eksitasjon-hemming 13. En Hodgkin-Huxley type nevron modell med fire ioniske strømmer Ligning 13 (En forsinket likeretter K + strøm, spenningsstyrte Na + og Ca 2 +-strømmer, en liten konduktans Ca2 +-avhengig K +-strøm) er tidligere utviklet for å reprodusere de observerte fysiologiske responser 13. For signaldeteksjon, følg trinn 4.3.1 til 4.3.3.
    1. Implementere nervecellen modell som differensialligninger. Bruk EAG signal som inngangsstrøm Ligning 14 i utviklingen av membranpotensialet Ligning 15 . Bruk en membran kapasitans C = 22,9 pF og jordfeil gitt av Ligning 16 med ledningsevne g L = 0.011161 mS ogreversering potensial E L = -61,4 mV. Den ioniske strøm er beskrevet av Ligning 17 med Ligning 18 etter hvor Ligning 19 er lineære funksjoner av V. Se tidligere arbeid 13 for detaljer.
    2. Simulere nevron modellen i sanntid med Sirene ved å integrere differensiallikninger med en 4 th for Runge-Kutta metode og et tidssteg Ligning 20 = 0,01 msek. Kjør pigg test V (t f)> 0 mV og V (t f - Ligning 20 ) <0 mV på nettet for å få pigg ganger og interspike intervaller.
    3. Oppdageferomon treff når et utbrudd av eksitasjon (3 påfølgende interspike intervaller <70 ms) er etterfulgt av hemming (interspike intervall ≥ 350 millisekunder), se figur 3C.

Representative Results

Den protokoll som er beskrevet ovenfor ble først testet med korte 20 millisekunders pulser av feromon (dose 1 mikrogram og 10 mikrogram) direkte oppblåst på antennen. Figur 4A viser eags som reaksjon på feromon pulser. De er positiv fordi opptaket elektroden ble koblet til den inverterende inngangen på forsterkeren, slik det er beskrevet i trinn 3.3. Som det fremgår av effektspekteret, er målesystemet i stand til å løse feromon pulser opp til 10 Hz. Til sammenligning har vi også testet en kommersielt tilgjengelig gass sensor. Den TGS2620 er et metalloksyd sensor fremstilt for påvisning av løsemiddeldamp. Selv om sensoren gir en høy følsomhet for etanol, ble det ute av stand til å følge variasjoner i konsentrasjonen (se den stiplede kurve i figur 4B). Problemet kom fra følerhuset. Den TGS2620 er kommersialisert med en lue som har en flammesikker rustfritt stål gasbind. Responstiden er langsom fordi det i praksis tar det enviss tid for gassen å diffundere gjennom gasbind og når metalloksydet overflate. Recovery er også treg fordi det tar tid å rense sensoren når gassen er fanget inne i hetten. Vi har derfor fjernes hetten og denne modifikasjon forbedret dynamikken betydelig (se vanlig kurve i figur 4B). Likevel var det en faktor ti mellom EAG og TGS2620 (10 Hz i forhold til 1 Hz). Denne sammenligningen er likevel kvalitativ som EAG og TGS2620 ble ikke testet i de samme forhold.

Vi så vurdert stabiliteten over tid for hele vår-insekt forberedelse (n = 12 møll) sammenlignet med utskårede antenner (n = 7 antenner). EAG ble spilt jevnlig i respons til feromon stimulations (varighet 500 msek, dose 1 mikrogram). Rå eags (i mV) ble konvertert til relative eags (prosenter av opprinnelig verdi oppnås ved tiden t = 0). Figur 5 viser meget god stabilitet i hele vår-insekt prepFraskilling innen en arbeidsdag. I motsetning til dette eags innspilt på isolerte antenner reduseres hurtig med tiden, slik at signalet faller til halvparten av dens opprinnelige verdi etter bare 1,5 timer. Denne tidsavhengighet er godt beskrevet av en eksponensiell desintegrasjon med en levetid på 2 timer.

Til slutt testet vi muligheten av EAG robotplateform for å søke etter et luktkilde (feromon forbindelsen Z7-12: OAc) ved hjelp av en reaktiv søkestrategi (figur 6A). Den søkestrategi kombinerer kryssen bølge hver gang feromon detekteres med spiral støping i fravær av deteksjoner 28. Tilstedeværelsen av feromon er detektert fra EAG ved Nevromorf detektor, som beskrevet i trinn 4.3. To eksempler på EAG registrert under søket er vist i figur 6B. Uten lukt kilde, forblir EAG rundt null (dvs. 2,5 V) med svært få eller ingen påvisninger. Roboten utfører spiral casting og generelt forlater søket plass BEFmalm nå målet sted (i 92% av forsøkene, n = 26 forsøk, figur 6C høyre). Med lukt kilde (figur 6C venstre), presenterer EAG bursts av aktivitet (påvisning) sammenvevd med perioder med stillhet (ingen Sporing). Spiral casting i hovedsak skjer på skyen kontur (figur 6C venstre, rød linje) og ser ut til å være en effektiv strategi for å flytte skyen senter når lukt er tapt. I denne tilstanden, er kilden generelt funnet (suksessrate = 96%, n = 44 forsøk).

Figur 1
Whole-insekt EAG forberedelse og robot oppsett. A) Figur 1. Den electroantennogram (EAG) er tatt opp fra en hel-insekt forberedelse (se tekst for detaljer). B) Preparatet er montert på robot. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Fig. 2
Figur 2. Hardware-programvaregrensesnitt. A) Eagle skjematisk av maskinvare. Kretsen består av seks seksjoner (se tekst for detaljer). Den tillater filtrering (frekvensbåndet 0,1 til 500 Hz, hakk på 50 Hz), forsterkning (samlet gevinst 250x) og signalbehandling i området 0-5 V. B) Eagle layout som viser linjer av kobber (toppen er i rødt og nederst i blått) og hull (i grønt). C) Kretskort (PCB) som viser de adskilte elementer. D) Grafisk brukergrensesnitt (GUI) skrevet i Qt-C + + for data visualisering (rød spor = EAG inngang, grønne kurven= Nevron modell utgang), filter design og signal deteksjon. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3. Signal påvisning fra EAG. A) Electroantennogram (EAG) modell. EAG er modellert etter en ikke-lineær cascade 27 som består av en statisk linearitet etterfulgt av et en st orden lavpassfilter med eksponentiell impuls funksjon Ligning 21 . Den EAG utgang er gitt ved konvolusjon i ett stykke med Ligning 22 . B) Engineering tilnærming. Deconvolution filteh skriver Ligning 23 og Ligning 24 , Se tekst for detaljer. Lukt møter (treff) registreres når Ligning 12 overskrider en forhåndsdefinert terskel. C) Bio-inspirert tilnærming. En Hodgkin-Huxley typen neuron modell med fem indre strømmer (lekkasje, K +, Na +, Ca2 + og SK) blir brukt til å reprodusere den observerte avfyringsmønster eksitasjon-hemming (EI) observert eksperimentelt 13.. For signaldeteksjon, blir EAG signal benyttes som inngangsstrøm og treff blir detektert når en serie av magnetisering er fulgt av inhibering i skudd aktivitet.

Figur 4 < br /> Figur 4. EAG responstid. A) EAG opptak i respons til 20 msek feromon pulser (dose 1 mikrogram og 10 mikrogram) levert på ulike priser (1, 2, 4, 6, 8 og 10 pulser / sek). Den normalis EAG effektspekter vises for en stimulans pulserende ved en og 10 Hz (dose 1 mikrogram og 10 mikrogram). EAG løser enkelte pulser opp til 10 Hz. B) Opptak fra gass-sensor TGS2620 svar på etanol (varierende konsentrasjon). De stiplede kurver er vanlig og sensorrespons med og uten lokk, henholdsvis. Sensoren med hetten har en reaksjonstid på flere titalls sekunder og kan derfor ikke følger svingningene i gasskonsentrasjonen. Den TGS2620 uten cap løser individuelle svingninger opp til 1 Hz. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

alltid "> Figur 5
Figur 5. EAG stabilitet (hele insekt forberedelse vs fjernet antenne). EAG ble spilt hver time i løpet av åtte timer for hele-insekt forberedelse (n = 12 møll) og hvert 20 min i løpet av 3,2 timer for utskåret antenner (n = 7 antenner). Figuren viser relative eags (prosenter av opprinnelig verdi som oppnås ved tiden t = 0). Tiden avhengighet for utskåret antenner er godt utstyrt med en eksponentiell med en levetid på to timer (halveringstid på 1,5 timer).

Figur 6
Figur 6. Robot eksperimenter. A) The surge-avstøpning strategi kombinerer kryssen økning inærvær av lukt med spiral casting i sitt fravær 28. B) Typisk EAG registrert under søket mens roboten beveger seg (med og uten lukt). C) Robot baner med lukt (n = 44 forsøk) og uten lukt (n = 26 forsøk). Den røde stiplede linjen representerer skyen kontur der 90% av alle påvisninger skjedde under forsøkene. Eksperimentelle forhold: søke plass = 4 mx 2,5 m, robotens hastighet = 5,6 cm / sek, target = 10 mikrogram av feromon deponert på et papirfilter og byttes hver to studier, robot første plassering = 2 m fra mål, vindhastighet = 0.9 ± 0,2 m / sek ved målplassering. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

Nesten tjue år siden, Kanzaki og hans kolleger ute med ideen om å bruke eags på olfactory roboter 29-30. Deres teknikken ble opprinnelig basert på utskårede antenner. Her har vi registrert fra intakt antenner for å forbedre følsomheten og levetiden til blandingen. Andre studier 31-32 også lagt merke til den overlegenhet av hele kroppen forberedelser enn isolert antenner. I våre robot eksperimenter, opplevde vi stabile opptak innen en dag. I motsetning til dette eags innspilt på isolerte antenner har en levetid på 2 timer (figur 5).

Vår EAG-robot-plattformen ble først og fremst utviklet for å teste biologiske hypoteser om lukte koding og søkestrategier i insekter 13. I likhet med sentrale nevroner som mottar innspill fra insekt antenner, vi koblet et nevron modell til en ekte møll antenne på en robot og utført feromon deteksjon basert på sin skyting mønster. Gjenkjenning og ikke-gjenkjenning hendelsene varså brukt til å drive roboten mot kilden feromon. Den reaktive søkestrategi vurderes her var inspirert av atferdsmønstre mannlige møll tiltrekkes av en sex feromon. Den utføres også i et laboratorium (figur 6), slik at lokaliseringen av en lav emisjonskilde (feromon dose på 10 ug i vårt tilfelle sammenlignet med 10 mg i tidligere arbeider 24) i en forholdsvis stor søkerommet (initial avstanden fra kilden til to m versus 10 cm i tidligere forsøk 20-21).

Disse robot eksperimenter bør betraktes som et bevis på konseptet viser at insekt Antennene er egnet for robot olfactory søk. Selv om insekt antenner er kjent for å svare på giftige gasser, narkotika og eksplosiver 9-11, er flere utvidelser som trengs for å takle reelle søknader. For det første kan en mer sofistikert søkemetode 34-36 være mer effektiv på avstander over 10 m, når reacquisitionav skyen blir svært usannsynlig. For det andre, kan det være nødvendig å kombinere eags fra forskjellige arter i en bio-elektronisk nese konfigurasjon 14 for å detektere odorants steder. For det tredje kan stereo sensing evner innhentet av opptak fra de to antennene av samme insekt være gunstig i forhold til effektivitet. To sensorer ansatt i parallell kan faktisk øke retningen. Fjerde, utvidelser av søkestrategi til kollektive robot søk 37 er bør vurderes for praktisk bruk, selv om de ikke er biologisk relevant i tilfelle av møll.

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 robotikk electroantennogram EAG gass-sensor elektronisk nese lukte søk bølge og støping møll insekt luktesans nevron
Bruke insekt Electroantennogram Sensorer på autonome roboter for Olfactory søk
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