We describe a protocol for using insect antennae in the form of electroantennograms (EAGs) on autonomous robots. Our experimental design allows stable recordings within a day and resolves individual odor patches up to 10 Hz. The efficiency of EAG sensors for olfactory searches is demonstrated in driving a robot toward an odor source.
昆虫が食用に採餌や仲間3の探索として、地雷のフィールド2の顔と同じ問題に含まれる有害産業施設1または爆発の痕跡化学リークを追跡するために設計されたロボットは:嗅覚検索は乱流輸送4の物理学によって制約されている。風負担臭気の濃度の風景は不連続で、散発的に配置されたパッチで構成されています。嗅覚検索に必要な前提条件は、断続的な臭気のパッチが検出されることである。その高いスピードと感度5-6、昆虫の嗅覚器官は検出のためのユニークな機会を提供します。昆虫アンテナはフェロモン7だけでなく、ヒトに関連する化学物質、 例えば 、癌細胞又は8有毒で違法物質9-11から発する揮発性化合物のみならず、過去に検出するために使用されてきた。私たちは、自律型ロボットで昆虫のアンテナを使用するため、ここでのプロトコルを記述そのソースに臭気プルームを追跡するための概念実証を提示dは。嗅覚ニューロンの応答は、グローバルelectroantennograms(EAGs)の形でその場で記録される。全体昆虫の準備に基づいて我々の実験設計は、営業日以内に、安定した録画を可能にする。比較では、切除されたアンテナにEAGs 2時間の寿命を持っている。カスタムハードウェア/ソフトウェアのインタフェースはEAG電極とロボットとの間で開発されました。測定システムは、人工的な化学センサ12のタイムスケールを超える10Hzで、個々の臭気のパッチを解決する。嗅覚検索用EAGセンサの効率はさらにフェロモンの供給源に向かってロボットを駆動するに示されている。現実の動物のように同一の嗅覚刺激及びセンサを用いることにより、我々のロボットプラットフォームは、嗅覚符号化及び検索方法13に関する生物学的仮説を試験するための直接的な手段を提供する。またによって利益の他の臭気物質を検出するための有益性を実証することができる生体電子ノーズ構成14または昆虫アンテナ15を模倣するナノガスセンサを用いた他の昆虫種EAGsを組み合わせる。
今日では、犬のように動物が頻繁にその優れた臭い検知機能16の化学物質の漏洩、麻薬や爆発物の局在を伴う安全性とセキュリティの用途に使用されている。しかし、彼らは大規模な仕事の後に疲れ、行動の変化を示しており、その性能は、時間17とともに減少などの頻繁な再訓練が必要です。これらの制限を回避する一つの方法は、嗅覚ロボットが訓練されたイヌを交換することである。
それにもかかわらず、香りや匂い源を追跡することは、ロボット工学における主要な課題である。乱流の環境では、臭気プルームの風景は非常に不均質かつ不安定であり、散発的に配置されたパッチ4で構成されています。でも、数メートル程度の短い源から適度な距離で、検出が散発的になり、断続的にしか手がかりを提供する。さらに、検出時の局所濃度勾配は、一般的に、ソースの方に向けないでください。指定されたディスク情報や限定された地域情報のontinuous流れ検出は、ソースに向かってロボットを移動する方法を行われたとき?
それはよくこのようなオス蛾などの昆虫が正常に長い距離(数百メートル)の上に彼らの仲間を見つけるために、化学通信を使用することが知られている。そのためには、彼らはステレオタイプの行動18〜20を採用:彼らは臭気パッチを感知すると風上サージや匂いの情報が消滅するときにキャストと呼ばれる拡張検索を実行します。このサージキャスト戦略は、純粋に反応性であり、 つまりアクションは完全に現在の認識(検出と非検出イベント)によって決定されます。臭気パッチの検出は、人工ガスセンサの遅さによって妨げられるので、まだ、嗅覚ロボットへの実装は、過去に限られた成功を有した。
それらは一般に除外するように嗅覚ロボットのほとんどで使用される金属酸化物センサは、数十秒の応答および回復時間を有する乱流プルーム21で遭遇する濃度の変動。対照的に、化学受容体、昆虫の応答時間が非常に短い、 例えば 、昆虫electroantennograms(EAGs)の立ち上がり時間は50ミリ秒未満で22である。その結果、昆虫EAGsを使用することにより、臭気パルスは数Hz 23の周波数で解決されます。このプロパティは、自然のプルーム中の臭気フィラメントの検出のためのEAGセンサが適しています。ここでは、サージやキャスティング戦略を用いて、効率的な嗅覚の検索を可能にするロボットに昆虫EAGsを埋め込むためのプロトコルを記述します。
ほぼ20年前、神崎と彼の同僚は、嗅覚のロボット29〜30にEAGsを使用してのアイデアを開拓してきました。彼らの技術は、元々、切除されたアンテナに基づいていた。ここでは、感度および製剤の寿命を向上させるために無傷のアンテナから記録した。他の研究で31〜32はまた、単離されたアンテナを介して全身製剤の優位性に気づいた。私たちのロボットの実験では、一日の中、安定したレコーディングを経験した。対照的に、EAGs 2時間( 図5)の寿命を有する単離されたアンテナに記録される。
当社のEAG-ロボットプラットフォームは、主に昆虫類13嗅覚コーディングと検索戦略について、生物学的仮説を検証するために開発されました。昆虫のアンテナからの入力を受信する中枢ニューロンと同様に、我々は、ロボットの実蛾アンテナにニューロンモデルを接続し、その発火パターンに基づいて、フェロモン検出を行う。検出と非検出されたイベントその後、フェロモン源に向かってロボットを駆動するために使用される。ここで考えて、反応探索戦略を性フェロモンに惹か雄成虫の行動パターンに触発されました。これは、2メートルの源からの低排出源に比較的大きな探索空間(初期距離(前作24中10ミリグラムに対し我々の場合は10μgのフェロモン用量)の局在を可能にする実験室条件( 図6)で好調以前の実験さ10cm 20〜21)対。
これらのロボット実験は、昆虫触角、ロボット嗅覚を検索するのに適していることを示す概念実証として考慮されるべきである。昆虫触角は有毒ガス、薬品や爆発物9月11日に反応することが知られているが、いくつかの拡張機能は、現実世界のアプリケーションに対応するために必要とされる。まず、より洗練された検索方法34〜36は 、10メートルを超えた距離で再取得する際、より効率的な場合がありますプルームの非常ににくくなる。第二に、利益の臭気物質を検出するために、バイオ電子鼻構成14の異なる種EAGsを組み合わせる必要があり得る。第三に、同じ昆虫の2つのアンテナから録音したステレオ感知能力は、有効性の観点から有益性を実証することができる。並列で用いられる2つのセンサが実際に指向性を高めることができる。第四に、集団のロボット検索に検索戦略の延長37彼らは蛾の場合には生物学的に関連していなくても実用化のために考慮されるべきである。
The authors have nothing to disclose.
This work was funded by the state program Investissements d’avenir managed by ANR (grant ANR-10-BINF-05 ‘Pherotaxis’).
Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
Agrotis ipsilon | PISC | moth | |
http://www-physiologie-insecte.versailles.inra.fr/indexenglish.php | |||
Robot Khepera III | K-team | Khe3Base + KorBotLE + KorWifi | |
www.k-team.com | |||
KoreIOLE | K-team | Input/output extension board | |
EAG-robot interface | LORIA | Custom-made hardware and software | |
www.loria.fr | |||
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 20W 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 | Eppendorf | 4910000514 | For pheromone dilution and deposition on paper filter |
2-20 µl/ 50-200 µl/ 100-1000 µl | |||
Gas sensor TGS2620 | Figaro www.figarosensor.com | Optional, for comparison with EAG | |
electrode puller | Narishige | PC-10 |