Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Neuroscience

باستخدام الحشرات Electroantennogram مجسات على الحكم الذاتي الروبوتات لبحث الشم

doi: 10.3791/51704 Published: August 4, 2014

Abstract

الروبوتات المصممة لتتبع التسريبات الكيميائية الخطرة في المنشآت الصناعية 1 أو آثار المتفجرات في حقول الألغام الأرضية 2 وجه نفس المشكلة كما الحشرات تبحث عن الطعام أو البحث عن الاصحاب 3: يتم تقييد البحث حاسة الشم من قبل الفيزياء النقل المضطرب 4. المشهد تركيز الرياح تنقلها الروائح غير متقطع ويتكون من بقع تقع بشكل متقطع. وهناك شرط مسبق إلى البحث حاسة الشم هو أن يتم الكشف عن بقع رائحة متقطعة. بسبب سرعتها العالية وحساسية 5-6، الجهاز الشمي من الحشرات يوفر فرصة فريدة من نوعها للكشف. وقد استخدمت هوائيات الحشرات في الماضي للكشف ليس فقط الفيرومونات الجنس 7 ولكن أيضا المواد الكيميائية التي هي ذات الصلة إلى البشر، على سبيل المثال، مركبات طيارة الصادرة عن الخلايا السرطانية 8 أو المواد السامة وغير المشروعة 9-11. نحن هنا وصف بروتوكول لاستخدام هوائيات الحشرات على الروبوتات المستقلة ود تقديم إثبات المفهوم لتتبع رائحة أعمدة إلى مصدرها. يتم تسجيل استجابة عالمية من الخلايا العصبية الشمية في الموقع في شكل electroantennograms (EAGs). لدينا التصميم التجريبي، استنادا إلى إعداد الحشرات كله، يسمح التسجيلات مستقرة خلال يوم العمل. في المقارنة، EAGs على هوائيات رفعه يكون عمر من 2 ساعة. وقد تم تطوير واجهة الجهاز مخصص / برنامج بين الأقطاب EAG والروبوت. نظام القياس يحل بقع رائحة الفردية تصل إلى 10 هرتز، وهو ما يتجاوز النطاق الزمني لأجهزة استشعار كيميائية اصطناعية 12. وكذلك أثبتت كفاءة من أجهزة الاستشعار EAG لعمليات البحث حاسة الشم في قيادة الروبوت نحو مصدر فرمون. باستخدام المحفزات وأجهزة الاستشعار حاسة الشم متطابقة كما في الحيوانات الحقيقية، ويوفر منصة لدينا الروبوتية وسيلة مباشرة لاختبار الفرضيات البيولوجية حول الترميز حاسة الشم واستراتيجيات البحث 13. فإنه قد يثبت أيضا مفيدة للكشف عن عطر أخرى من المصالح من قبلالجمع بين EAGs من أنواع الحشرات المختلفة في تكوين الأنف bioelectronic 14 أو باستخدام أجهزة الاستشعار الغاز ذات البنية النانومترية التي تحاكي الحشرات هوائيات 15.

Introduction

في الوقت الحاضر، وكثيرا ما تستخدم الحيوانات مثل الكلاب في تطبيقات السلامة والأمن التي تنطوي على توطين التسريبات الكيميائية والمخدرات والمتفجرات لما لها من ممتازة قدرات الكشف رائحة 16. حتى الآن، وأنها تظهر الاختلافات السلوكية، بالتعب بعد العمل المكثف، وتتطلب إعادة تدريب متكررة، ويقلل أدائها مع مرور الوقت 17. طريقة واحدة للتحايل على هذه القيود هو استبدال الكلاب المدربة من قبل الروبوتات حاسة الشم.

مع ذلك، وتتبع الروائح ومصادر الرائحة يشكل تحديا كبيرا في مجال الروبوتات. في بيئات مضطربة، والمناظر الطبيعية من عمود رائحة غير متجانسة للغاية وغير مستقرة، ويتكون من بقع تقع بشكل متقطع 4. حتى على مسافات متوسطة من المصدر، قصيرة قدر بضعة أمتار، المكتشفة تصبح متقطعة وتقديم العظة فقط بشكل متقطع. علاوة على ذلك، التدرجات تركيز المحلية خلال المكتشفة لا تشير عموما نحو المصدر. قرص معينتدفق ontinuous المعلومات والمعلومات المحلية محدودة عندما تتم اكتشافات كيفية التنقل روبوت نحو مصدر؟

ومن المعروف جيدا أن الحشرات مثل العث الذكور استخدام الاتصالات الكيميائية لتحديد أقرانهم بنجاح لمسافات طويلة (مئات الأمتار). للقيام بذلك، فإنها تبني السلوك النمطية 18-20: أنها ترتفع عكس الريح على استشعار رائحة التصحيح وإجراء بحث موسع دعا الصب عندما تختفي الرائحة المعلومات. هذه الاستراتيجية الصب تصاعد رد الفعل هو محض، ويتم تحديد الإجراءات تماما من أي تصورات الحالية (الكشف وعدم الكشف عن الأحداث). حتى الآن، وتنفيذه على الروبوتات حاسة الشم قد النجاح في الماضي محدودة بسبب الكشف عن بقع رائحة يعوقه بطء أجهزة الاستشعار الغاز الاصطناعي.

أجهزة الاستشعار أكسيد المعدن الذي يستخدم في معظم الروبوتات حاسة الشم لديهم الاستجابة والإنعاش مرات عدة عشرات ثانية بحيث تصفية عموما خارجتقلبات تركيز اجه في أعمدة مضطربة 21. في المقابل، فإن زمن الاستجابة من المستقبلات الكيميائية للحشرات هو أقصر من ذلك بكثير، على سبيل المثال، في الوقت صعود electroantennograms الحشرات (EAGs) هو أقل من 50 ميللي ثانية 22. بالتالي، باستخدام EAGs الحشرات، ويتم حل البقول رائحة بترددات عدة هيرتز 23. هذه الخاصية يجعل أجهزة الاستشعار EAG مناسبة تماما للكشف عن خيوط رائحة في أعمدة الطبيعية. نحن هنا وصف بروتوكول لتضمين EAGs الحشرات على الروبوتات السماح لعمليات البحث باستخدام حاسة الشم كفاءة وزيادة الصب الاستراتيجيات.

Protocol

ويستند البروتوكول على الروبوت المتاحة تجاريا (انظر الجدول مواد) والعث الذكور (AGROTIS ipsilon) مع فرمون جنسهم. حتى الآن، وأنه يمكن تكييفها مع تعديلات طفيفة لأنواع من الحشرات، عطر، والروبوتات.

1. الحشرات

  1. اليرقات الخلفي من AGROTIS ipsilon HUFNAGEL (قشريات الجناح: Noctuidae) على النظام الغذائي الاصطناعي والمحافظة عليها في أكواب بلاستيكية الفردية حتى التشرنق في 23 ± 1 درجة مئوية والرطوبة النسبية 50 ± 5٪ كما هو موضح سابقا 24.
  2. الشرانق الجنس والحفاظ على الذكور البالغين بشكل منفصل عن الإناث في صناديق بلاستيكية. منحهم حرية الوصول إلى حل السكروز 20٪.
  3. إجراء تجارب مع الذكور. العث الذكور هي حساسة للغاية للفرمون الجنس المنبعثة من الإناث بهم مناوع. في A. ipsilon، المكون الرئيسي فرمون، خلات رابطة الدول المستقلة-7-dodecenyl (Z7-12: شنو) هو المركب الأكثر نشاطا على هوائي.
itle "> 2. الكهربية

  1. تسجيل EAG من إعداد كامل للحشرات، كما هو موضح أدناه (الشكل 1A). ويفضل هوائيات هوائيات سليمة على رفعه لأنهم يظهرون أطول عمرا (انظر نتائج ممثل).
  2. الكلور اثنين من الأسلاك الفضية عن طريق الغمر في محلول التبييض المركزة لمدة 10-20 دقيقة وشطف بعد ذلك. هذه العملية يمنع أقطاب من الاستقطاب. لا بد من تكرار كلما الانجرافات خط الأساس خلال التجارب أو عندما يكون تعويض الجهد بين الأقطاب تصبح كبيرة جدا بحيث لا يمكن تعويضه من خلال مكبر للصوت.
  3. جعل أقطاب الزجاج من الشعيرات الدموية النار مصقول مع ساحبة القطب. النار تلميع يمنع خدش سلك الفضة المكلورة مع الأقطاب الكهربائية.
  4. تخدير عثة الذكور مع CO 2 ووضعه داخل كتلة الستايروفوم مع رئيس جاحظ من أعلى.
  5. حبل رئيس الحشرة مع الشريط الرسام حول الرقبة.
  6. إدراج سلك الفضة بمثابة القطب المرجعية في الرقبة.
  7. تحت stereomicroscope، شل واحدة من هوائيات مع شرائح رقيقة من الشريط الرسام على طرف والقاعدة.
  8. قطع القاصي 2-3 شرائح الهوائي مع مقص جراحي.
  9. وضع الزجاج الكهربائي بالقرب من قطع غيض من الهوائي مع مناور الصغيرة.
  10. قطع أقصى من الزجاج الشعرية مع ملقط للحصول على قطر أكبر قليلا من قطع غيض من الهوائي.
  11. ملء ماصة الزجاج مع (مم) 6.4 بوكل، 340 الجلوكوز، 10 HEPES، 12 MgCl 1 و CaCl 12 كلوريد الصوديوم، ودرجة الحموضة 6.5.
  12. إدراج قطع غيض من الهوائي في الزجاج الشعرية مع مياداة مجهرية.
  13. زلة سلك الفضة العامل بوصفه القطب تسجيل في أقصى أكبر من الزجاج الشعرية.

3. الأجهزة واجهة

  1. جبل إعداد كله، أي الحشرات أقطاب-مياداة مجهرية، على لوحة معدنية مشدود على رأس الروبوت (الشكل 1B). توصيل الأقطاب الكهربائية إلى روبوت، كما هو موضح أدناه.
  2. استنادا إلى الأعمال السابقة 25-26، تصميم واجهة الجهاز للتكييف EAG انتاج التيار الكهربائي (النظام 1 بالسيارات في العديد من MΩ) إلى مجموعة مناسبة للوحة التمديد للروبوت. مجلس يقبل 0-5 المدخلات V التناظرية والجهد السلبي أدناه -200 بالسيارات قد تسبب أضرارا بالغة. اتبع الخطوات التالية ل3.2.1 3.2.4 لتصميم واجهة مع النسر.
    1. تصميم إمدادات الطاقة 5V ± من بطارية +12 V باستخدام الجهد المنظم 78L10 (① في أرقام 2A-2C).
    2. تصميم المضخم headstage (10X) على أساس الأجهزة مكبر للصوت INA121 (③ في أرقام 2A-2C).
    3. تصميم مكبر للصوت للمرحلة الثانية (25X) مع الضوضاء تصفية (الدرجة الأولى عالية تمرير مرشح 0.1 هرتز، والنظام الثاني المنخفضة تمرير مرشح 500 هرتز، 50 هرتز الشق فلتر) على أساس رباعية المرجع الامبير LT1079 (315؛ في أرقام 2A-2C).
    4. تصميم مرحلة تكييف إشارة إلى أن يحسب مع المرجع أمبير الصمام الثنائي 1N4148 LT1079 و(⑤ في أرقام 2A-2C). الربح الإجمالي هو 250 والإخراج EAG هي في حدود 0-5 V مع صفر يجري في 2.5 V.
  3. توصيل الأقطاب الكهربائية إلى المدخلات التفاضلية EAG (② في أرقام 2A-2C). ربط القطب تسجيل لإدخال قلب من INA121 الحصول EAGs إيجابية.
  4. ربط الانتاج EAG (⑥ في أرقام 2A-2C) إلى 12 مدخلات تناظرية مجلس التمديد للروبوت. كما تتم قراءة كل المدخلات بالتتابع كل جزء من الثانية، وتواتر أخذ العينات هو 1 كيلو هيرتز.

4. واجهة البرامج

والمواضيع الرئيسية تحتوي على واجهة المستخدم الرسومية (GUI)، وأساليب للكشف عن إشارة وظائف مختلفة للتحكم في الروبوت.

  1. إرسال اجهة المستخدم الرسومية (الشكل 2D) في كيو تي-C + + FO التصور البيانات ص، وتصفية الرقمية (20 هرتز النظام 5 عشر بتروورث مرشح تمرير منخفض) وكشف رائحة من EAG. وهذا الأخير لا يمكن أن يؤديها بطريقتين: إما عن طريق deconvolving في EAG مع مرشح المناسب (نهج الهندسة، قسم 4.2)، أو عن طريق نمذجة الآليات العصبية التي تسمح سريعة وموثوق بها الكشف فرمون في A. العث ipsilon (النهج bioinspired، القسم 4.3).
  2. مرشح Deconvolution. وEAG يوصف بشكل جيد من قبل شلال غير الخطية التي تتكون من 27 لاستقامة ثابتة المعادلة 1 والمنخفضة تمرير مرشح 1 شارع أجل مع وظيفة دفعة الأسي المعادلة 2 إلى المعادلة 3 ، انظر الشكل 3A. في استجابة لتغير تركيز الرائحةuation 4 "FO: محتوى العرض =" 0.3in "سرك =" / files/ftp_upload/51704/51704eq4.jpg "/>، وتعطى الناتج EAG من الإلتواء لا يتجزأ المعادلة 5 . يتم الحصول على Deconvolution ببساطة عن طريق معكوس النظام؛ وهذا هو المعادلة 6 في مجال التردد. ثم، المعادلة 7 كما تحويل فورييه للاستجابة الدافع هو المعادلة 8 . للكشف عن إشارة، اتبع الخطوات 4.2.1 إلى 4.2.3.
    1. تنفيذ عملية deconvolution في مجال الوقت و المعادلة 9 و معادلة 10 ، الشكل 3B. تقريب استقامة معادلة 11 بواسطة وظيفة متعدد الحدود. تناسب المعلمات متعدد الحدود والوقت ثابت على أزواج بيانات المدخلات والمخرجات لتقليل متوسط ​​مربع الخطأ بين الحقيقي المعادلة 4 وإعادة بنائها معادلة 12 تركيز الرائحة.
    2. كشف يضرب فرمون كلما معادلة 12 يتجاوز عتبة محددة سلفا.
  3. كشف Neuromorphic. نهج بديل لكشف تتمثل في محاكاة البيولوجيا. في A. العث ipsilon، الخلايا العصبية المركزية تلقي مدخلات من الهوائي الرد على فرمون مع نمط اطلاق النمطية من الإثارة تثبيط 13. A-هودجكين هكسلي رنموذج الخلايا العصبية يب] مع أربعة تيارات الأيونية معادلة 13 (المعدل الحالي تأخر K +، + ونا كا 2 + التيارات، وهو تصرف صغيرة كا 2 + K + التي تعتمد الحالية الجهد بوابات) وقد وضعت سابقا لإنتاج الاستجابات الفسيولوجية لاحظ 13. للكشف عن إشارة، اتبع الخطوات 4.3.1 إلى 4.3.3.
    1. تنفيذ نموذج الخلايا العصبية كما المعادلات التفاضلية. استخدام إشارة EAG كمدخل الحالي معادلة 14 في تطور غشاء المحتملة معادلة 15 . استخدام غشاء السعة C = 22.9 الجبهة الوطنية وتيار تسرب قدمها معادلة 16 مع تصرف ز L = 0.011161 ميكروثانية والانعكاس المحتمل E L = -61.4 بالسيارات. وصفت التيارات الأيونية التي كتبها معادلة 17 مع معادلة 18 من قبل حيث معادلة 19 وظائف غير الخطية من الاطلاع على الأعمال السابقة V. 13 للحصول على التفاصيل.
    2. محاكاة نموذج الخلايا العصبية في الزمن الحقيقي مع SIRENE من خلال دمج المعادلات التفاضلية مع نظام ال 4 طريقة رونج كوتا وخطوة الوقت معادلة 20 = 0.01 ميللي ثانية. تشغيل الاختبار ارتفاع V و)> 0 بالسيارات والخامس و - معادلة 20 ) <0 بالسيارات عبر الإنترنت للحصول على أضعاف ارتفاع وinterspike فترات.
    3. الكشف عنمشاهدات فرمون كلما يتبع موجة من الإثارة (3 فترات متتالية interspike <70 ميللي ثانية) عن طريق تثبيط (interspike الفاصل ≥ 350 ميللي ثانية)، انظر الشكل 3C.

Representative Results

وصف بروتوكول أعلاه تم اختباره الأول مع قصيرة 20 ميللي ثانية البقول من فرمون (جرعة 1 ميكروغرام و 10 ميكروغرام) ينفخ مباشرة على هوائي. ويبين الشكل 4A في EAGs ردا على البقول فرمون. فهي إيجابية لأنه تم توصيل القطب تسجيل لإدخال قلب من مكبر للصوت، كما هو موضح في الخطوة 3.3. كما يتبين من طيف الطاقة، ونظام القياس هو قادرة على حل البقول فرمون تصل إلى 10 هرتز. للمقارنة، ونحن أيضا اختبار جهاز استشعار الغاز المتاحة تجاريا. وTGS2620 هو استشعار أكسيد المعادن المصنعة للكشف عن أبخرة المذيبات. على الرغم من أن أجهزة الاستشعار يمثل حساسية عالية للإيثانول، وكان غير قادر على متابعة التغيرات في تركيز (انظر منحنى متقطع في الشكل 4B). جاءت المشكلة من السكن الاستشعار. يتم تسويقها في TGS2620 مع غطاء يحتوي على الفولاذ المقاوم للصدأ شاش واقية من اللهب. وقت استجابة بطيئة لأنه، من الناحية العملية، فإنه يأخذ ووقت معين للغاز على الانتشار عبر الشاش وتصل إلى سطح أكسيد المعادن. التعافي بطيئة أيضا لأن الأمر يتطلب بعض الوقت لتنظيف جهاز الاستشعار عندما يتم المحاصرين الغاز داخل الغطاء. لذا فإننا إزالة الغطاء وتحسن ديناميات هذا التعديل بشكل كبير (انظر المنحنى العادي في الشكل 4B). ومع ذلك، كان هناك عامل عشرة بين EAG وTGS2620 (10 هرتز مقابل 1 هرتز). هذه المقارنة هي مع ذلك النوعية كما EAG وTGS2620 لم يتم اختبار في نفس الظروف.

نحن بعد ذلك بتقييم الاستقرار مع مرور الوقت لدينا إعداد كامل للحشرات (ن = 12 العث) بالمقارنة مع الهوائيات رفعه (ن = 7 هوائيات). تم تسجيل EAG دوري ردا على التحفيز فرمون (مدة 500 ميللي ثانية، جرعة 1 ميكروغرام). تم تحويل EAGs الخام (في السيارات) لEAGs النسبية (النسبة المئوية من القيمة الأولية التي تم الحصول عليها في الوقت t = 0). الشكل 5 يظهر الاستقرار جيدة جدا لدينا الإعدادية كله للحشراتaration خلال يوم العمل. في المقابل، سجلت EAGs على انخفاض هوائيات معزولة بسرعة مع مرور الوقت بحيث يقع إشارة إلى نصف قيمته الأولية بعد 1.5 ساعة فقط. يوصف هذا الاعتماد الوقت بشكل جيد من قبل الاضمحلال الأسي مع عمر من 2 ساعة.

أخيرا، اختبرنا قدرة plateform الروبوتية EAG للبحث عن مصدر الرائحة (مجمع فرمون Z7-12: شنو) باستخدام استراتيجية البحث على رد الفعل (الشكل 6A). استراتيجية البحث يجمع بين الطفرة عكس الريح في كل مرة يتم الكشف عن فرمون مع الصب دوامة في غياب المكتشفة 28. تم الكشف عن وجود فرمون من EAG بواسطة كاشف neuromorphic، كما هو موضح في الخطوة 4.3. وترد مثالين من EAG سجلت خلال البحث في الشكل 6B. دون مصدر الرائحة، وEAG يبقى حول الصفر (أي 2.5 V) مع عدد قليل جدا أو معدومة المكتشفة. الروبوت ينفذ الصب دوامة ويترك فرنكا فضاء البحث بشكل عامخام الوصول إلى الموقع المستهدف (في 92٪ من المحاكمات، ن = 26 المحاكمات، الشكل 6C اليمين). مع مصدر الرائحة (الشكل 6C اليسار)، وEAG يقدم رشقات نارية من النشاط (المكتشفة) تتشابك مع فترات من الصمت (لا المكتشفة). يحدث الصب دوامة أساسا في محيط عمود (الشكل 6C اليسار، خط أحمر) ويبدو أن استراتيجية فعالة لنقل محور عمود عند فقدان الرائحة. في هذه الحالة، يتم العثور على مصدر عموما (= نسبة نجاح 96٪، ن = 44 المحاكمات).

الشكل 1
الشكل 1. الجامع للحشرات إعداد EAG والإعداد الروبوتية. أ) يتم تسجيل electroantennogram (EAG) من إعداد كامل للحشرات (انظر النص للحصول على التفاصيل). B) هي التي شنت على إعداد سرقةبعد التمديد. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 2
الشكل 2. الأجهزة واجهة البرمجيات. A) النسر التخطيطي من الأجهزة. تتكون الدائرة من ستة أقسام (انظر النص للحصول على التفاصيل). لأنها تتيح تصفية (نطاق التردد ،1-500 هرتز، من الدرجة الأولى في 50 هرتز)، والتضخيم (مجموع مكاسب 250X) وتكييف إشارة في نطاق 0-5 V. B) تخطيط النسر تظهر خطوط من النحاس (الأعلى باللون الأحمر و السفلي باللون الأزرق) والثقوب (باللون الأخضر). C) لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) تظهر عناصر منفصلة. D) واجهة المستخدم الرسومية (GUI) مكتوب في كيو تي-C + + لتصور البيانات (التتبع الحمراء = EAG المدخلات، والتتبع الخضراء= الناتج نموذج الخلايا العصبية)، تصميم فلتر وكشف الإشارة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 3
الرقم 3. الكشف عن إشارة من EAG. A) Electroantennogram (EAG) نموذج. وعلى غرار لEAG بواسطة شلال 27 غير الخطية التي تتكون من استقامة ثابتة تليها 1 شارع الترتيب المنخفض تمرير مرشح مع وظيفة دفعة الأسي معادلة 21 . وبالنظر إلى الناتج EAG لا يتجزأ من الإلتواء مع معادلة 22 باء) نهج الهندسة. وFILT deconvolutionإيه يكتب معادلة 23 و معادلة 24 ، انظر النص للحصول على التفاصيل. تم الكشف عن لقاءات رائحة (زيارة) كلما معادلة 12 يتجاوز عتبة محددة سلفا. C) نهج مستوحاة الحيوية. يتم استخدام نوع هودجكين هكسلي نموذج الخلايا العصبية مع خمسة التيارات الداخلية (تسرب، K +، + نا، كا 2 + وSK) لإعادة إنتاج نمط اطلاق المرصودة من الإثارة تثبيط (EI) لوحظ تجريبيا 13. للكشف عن إشارة، يتم استخدام إشارة EAG كما يتم الكشف عن المدخلات الحالية ويضرب كلما تبعتها موجة من الإثارة عن طريق تثبيط النشاط في اطلاق النار.

الرقم 4 < ر /> الشكل 4. وقت استجابة EAG. A) تسجيلات EAG ردا على 20 ميللي ثانية البقول فرمون (جرعة 1 ميكروغرام و 10 ميكروغرام) تسليم بمعدلات مختلفة (1، 2، 4، 6، 8، و 10 نبضات / ثانية). يظهر تطبيع EAG طيف الطاقة لتحفيز نابض في 1 و 10 هرتز (جرعة 1 ميكروغرام و 10 ميكروغرام). وEAG يحل البقول الفردية تصل إلى 10 هرتز. ب) تسجيلات من أجهزة الاستشعار الغاز TGS2620 ردا على الإيثانول (تذبذب تركيز). منحنيات متقطع وسهل هي استجابة الاستشعار مع وبدون غطاء، على التوالي. أجهزة الاستشعار مع غطاء لديه الوقت للاستجابة لعشرات ثانية، وبالتالي لا يمكن أن يتبع التقلبات في تركيز الغاز. وTGS2620 دون غطاء يحل تقلبات الفردية تصل إلى 1 هرتز. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

دائما "> الرقم 5
الرقم 5. الاستقرار EAG (كامل إعداد الحشرات مقابل الهوائي رفعه). تم تسجيل EAG كل ساعة خلال 8 ساعات لإعداد كامل للحشرات (ن = 12 العث) وكل 20 دقيقة خلال 3.2 ساعة للهوائيات رفعه (ن = 7 هوائيات). يوضح الشكل EAGs النسبية (النسبة المئوية من القيمة الأولية التي تم الحصول عليها في الوقت t = 0). الاعتماد الوقت لرفعه هوائيات يتم تركيبها بشكل جيد من قبل الاضمحلال الأسي مع عمر من 2 ساعة (نصف عمر قدره 1.5 ساعة).

الرقم 6
الرقم 6. التجارب الروبوتية. أ) استراتيجية الصب زيادة يجمع بين زيادة في عكس الريحوجود رائحة مع الصب في دوامة عدم وجوده 28. B) EAG النموذجية سجلت خلال البحث في حين أن الروبوت يتحرك (مع وبدون رائحة). C) مسارات روبوت مع رائحة (ن = 44 تجارب) وبدون رائحة (ن = 26 المحاكمات). خط متقطع أحمر يمثل كفاف عمود حيث وقعت 90٪ من جميع المكتشفة أثناء المحاكمات. الظروف التجريبية: فضاء البحث = 4 متر x 2.5 متر، وسرعة الروبوت = 5.6 سم / ثانية، الهدف = 10 ميكروغرام من فرمون المودعة على ورق الترشيح واستبدال كل 2 المحاكمات، الروبوت المكان الأول = 2 متر من الهدف، سرعة الرياح = 0.9 ± 0.2 م / ثانية في الموقع المستهدف. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

Discussion

منذ ما يقرب من عشرين عاما، رائدة كانزاكي وزملاؤه فكرة استخدام الروبوتات EAGs على حاسة الشم 29-30. واستند في الأصل على تقنيتهم ​​هوائيات رفعه. هنا، سجلنا من هوائيات سليمة لتحسين حساسية وعمر الإعداد. لاحظت دراسات أخرى أيضا 31-32 تفوق الاستعدادات كامل الجسم أكثر من هوائيات معزولة. في التجارب الروبوتية لدينا، ونحن من ذوي الخبرة التسجيلات مستقرة خلال يوم واحد. في المقابل، سجلت EAGs على هوائيات معزولة يكون عمر من 2 ساعة (الشكل 5).

لدينا منصة EAG الروبوتية وضعت أساسا لاختبار الفرضيات البيولوجية حول الترميز حاسة الشم واستراتيجيات البحث في الحشرات 13. مماثلة إلى الخلايا العصبية المركزية تلقي مدخلات من الهوائيات الحشرات، ونحن على اتصال نموذج الخلايا العصبية إلى هوائي فراشة حقيقية على الروبوت، وأجرى الكشف فرمون استنادا إلى نمط إطلاق النار فيها. كان الكشف وعدم الكشف عن الأحداثثم تستخدم لدفع الروبوت نحو مصدر فرمون. استلهم استراتيجية البحث على رد الفعل يعتبر هنا من الأنماط السلوكية من العث الذكور تجذبهم فرمون الجنس. فإنه أداء جيدا في الظروف المختبرية (الشكل 6)، والسماح للتوطين مصدر الانبعاثات المنخفضة (جرعة فرمون من 10 ميكروغرام في حالتنا مقابل 10 ملغ في العمل السابق 24) في مساحة كبيرة نسبيا البحث (المسافة الأولية من مصدر 2 م مقابل 10 سم في التجارب السابقة 20-21).

وينبغي النظر في هذه التجارب الروبوتية كدليل على مفهوم تبين أن الهوائيات الحشرات هي مناسبة لعمليات البحث حاسة الشم الروبوتية. على الرغم من أن المعروف هوائيات الحشرات للرد على الغازات السامة والمخدرات والمتفجرات 9-11، وهناك حاجة إلى العديد من ملحقات للتعامل مع تطبيقات العالم الحقيقي. أولا، طريقة بحث أكثر تطورا 34-36 قد يكون أكثر فعالية على مسافات أبعد من 10 م، عندما إعادة اكتسابهامن المستبعد جدا يصبح عمود. الثاني، فإنه قد يكون من الضروري الجمع بين EAGs من الأنواع المختلفة في تكوين الأنف الحيوية الإلكترونية 14 من أجل الكشف عن عطر المصالح. الثالثة، وقدرات الاستشعار ستيريو التي حصلت عليها من تسجيل اثنين من الهوائيات من نفس الحشرات قد تكون مفيدة من حيث الفعالية. اثنين من أجهزة الاستشعار المستخدمة في موازية قد تزيد في الواقع الاتجاهية. الرابعة، وتمديد استراتيجية البحث للتفتيش الروبوتية الجماعية هي 37 يجب أن يتم النظر في التطبيقات العملية حتى لو أنها ليست ذات الصلة من الناحية البيولوجية في حالة العث.

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).
باستخدام الحشرات Electroantennogram مجسات على الحكم الذاتي الروبوتات لبحث الشم
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).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