Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

באמצעות חיישני Electroantennogram חרקים על אוטונומי רובוטים לחיפושי חוש הריח

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

רובוטים שנועדו לעקוב אחר דליפות כימיות במתקנים מסוכנים תעשייתיים 1 או עקבות חומר נפץ בשדות מוקשים 2 פנים אותה הבעיה כמו חרקים בחיפוש אחר מזון או מחפשים בני זוג 3: חיפוש חוש הריח הוא מוגבל על ידי הפיזיקה של תחבורה סוערת 4. נוף הריכוז של ריחות רוח נישאות הוא רציף ומורכב מתיקונים ממוקמים באופן אקראי. תנאי מוקדם לחיפוש חוש הריח הוא שתיקוני ריח לסירוגין מזוהים. בגלל המהירות הגבוהה שלו והרגישות 5-6, איבר חוש הריח של חרקים מספק הזדמנות ייחודית לצורך זיהוי. אנטנות חרקים היו בשימוש בעבר כדי לזהות לא רק פרומונים מין 7, אלא גם כימיקלים שרלוונטיים לבני אדם, למשל, תרכובות נדיפות הנובעות מהתאים סרטניים 8 או חומרים רעילים ואסורים 9-11. אנו מתארים כאן פרוטוקול לשימוש באנטנות חרקים על רובוטים אוטונומייםd להציג הוכחה של קונספט למעקב אחר נוצות ריח למקור שלהם. התגובה הגלובלית של נוירונים חוש הריח נרשמת באתר בצורה של electroantennograms (EAGs). עיצוב ניסיוני שלנו, המבוססים על הכנת חרקים כולו, מאפשר הקלטות יציבים בתוך יום עבודה. לשם השוואה, יש לי EAGs על אנטנות נכרתה חיים שלמים של שעה 2. ממשק חומרה מותאמת אישית / תוכנה פותח בין האלקטרודות EAG ורובוט. מערכת המדידה פותרת תיקוני ריח בודדים עד 10 הרץ, אשר עולה על הסולם של חיישנים כימיים מלאכותיים 12 הזמן. היעילות של חיישני EAG לחיפושי חוש הריח היא ביטוי נוסף בנהיגת הרובוט לכיוון מקור של פרומון. באמצעות גירויי ריח זהים וחיישנים כמו בבעלי חיים אמיתיים, הפלטפורמה רובוטית שלנו מספקת אמצעים ישירים לבדיקת השערות ביולוגיות על קידוד חוש הריח ואסטרטגיות חיפוש 13. היא עשויה גם להוכיח מועילה לאיתור ניחוחי עניין אחר על ידישילוב EAGs ממינים חרקים שונים בתצורת האף bioelectronic 14 או באמצעות חיישני גז nanostructured המחקים אנטנות חרקים 15.

Introduction

כיום, בעלי חיים כמו כלבים משמשים לעתים קרובות ביישומי בטיחות וביטחון שכוללים את הלוקליזציה של דליפות כימיות, תרופות וחומרי נפץ בגלל יכולות זיהוי ריח המעולה שלהם 16. ובכל זאת, הם מראים וריאציות התנהגות, מתעייפים אחרי עבודה נרחבת, ודורשים הסבה תכופה כמו הביצועים שלהם פוחתים לאורך זמן 17. אחת דרכים לעקוף את המגבלות האלה היא להחליף את הכלבים שאומנו על ידי רובוטים חוש הריח.

עם זאת, מעקב אחר ריחות ומקורות ריח הוא אתגר גדול ברובוטיקה. בסביבות סוערות, את הנוף של פלומת ריח הוא מאוד הטרוגנית ולא יציב, והוא מורכב מתיקונים ממוקמים באופן ספורדי 4. אפילו במרחקים מתונים מהמקור, הקצר ככל כמה מטרים, לתגליות להיות סדירות ורק לספק רמזים לסירוגין. יתר על כן, הדרגתיים ריכוז מקומי במהלך תגליות בדרך כלל לא מצביע לכיוון המקור. דיסק לאורזרימת ontinuous של מידע ומידע מקומי מוגבל כאשר תגליות נעשות כיצד לנווט רובוט לכיוון המקור?

זה ידוע היטב כי חרקים כגון עש זכר משתמשים בתקשורת כימית כדי לאתר בהצלחה את בני זוגן על פני מרחקים ארוכים (מאות מטרים). לשם כך, הם מאמצים התנהגות 18-20 סטריאוטיפית: הם גל נגד רוח על חישת ריח תיקון ולבצע חיפוש מורחב נקרא ליהוק כאשר נעלם מידע ריח. אסטרטגיית הליהוק גל זה היא אך ורק תגובתי, פעולות כלומר נקבעות לחלוטין על ידי תפיסות הנוכחיות (אירועי זיהוי ולא זיהוי). עם זאת, יישומה ברובוטי חוש הריח היה הצלחה בעבר מוגבל בגלל זיהוי של כתמי ריח הקשו על ידי האיטיות של חיישני גז מלאכותיים.

יש חיישני תחמוצת מתכת המשמשים ברוב הרובוטים חוש הריח זמני תגובה והתאוששות של כמה עשרות שניות, כך שהם בדרך כלל לסנןתנודות הריכוז נתקלו בנוצות סוערות 21. לעומת זאת, זמן התגובה של chemoreceptors חרקים הוא קצר בהרבה, למשל, זמן העלייה של electroantennograms חרקים (EAGs) הוא פחות מ 50 msec 22. כתוצאה מכך, על ידי השימוש בEAGs חרקים, קטניות ריח נפתרות בתדרים של מספר הרץ 23. מאפיין זה הופך את חיישני EAG גם מתאימים לזיהוי של חוטי ריח בנוצות טבעיות. אנו מתארים כאן פרוטוקול להטבעת EAGs חרקים על רובוטים המאפשרים חיפושי חוש הריח יעילים באמצעות גל וליהוק אסטרטגיות.

Protocol

הפרוטוקול מבוסס על רובוט זמין מסחרי (ראה טבלת חומרים) ועש זכר (Agrotis ipsilon) עם פרומון המין שלהם. עם זאת, זה יכול להיות מותאם עם שינויים קלים למינים אחרים של חרקים, ניחוחי, ורובוטים.

1. חרקים

  1. זחלים אחוריים של Agrotis ipsilon Hufnagel (פרפרים: Noctuidae) על תזונה מלאכותית ולשמור אותם בכוסות פלסטיק בודדות עד התגלמות ב23 ± 1 ° C ו50 ± 5% לחות יחסית כפי שתואר לעיל 24.
  2. גלמי סקס ולשמור על זכרים בוגרים בנפרד מנקבות בקופסות פלסטיק. תן להם גישה חופשית לתמיסת סוכרוז 20%.
  3. לבצע ניסויים עם זכרים. עש זכר רגיש מאוד לפרומון מין הנפלט על ידי נקבות conspecific. בתוך א ' ipsilon, רכיב פרומון הגדול, אצטט cis-7-dodecenyl (Z7-12: OAC) הוא התרכובת הפעילה ביותר באנטנה.
itle "> 2. אלקטרופיזיולוגיה

  1. רשמו את EAG מהכנה כל חרקים, כמתואר להלן (איור 1 א). אנטנות שלמות עדיפות על אנטנות נכרתו בגלל שהם מפגינים חיים ארוכים יותר (ראה תוצאות נציג).
  2. Chlorinate שני חוטי כסף על ידי טבילה בתמיסת אקונומיקה מרוכזת ל10-20 דקות ולשטוף לאחר מכן. תהליך זה מונע אלקטרודות ממקטבות. זה חייב להיות חוזר ונשנה בכל פעם שהבסיס נסחף במהלך ניסויים או כאשר מתח ההיסט בין האלקטרודות הופך להיות גדול מדי כדי להיות מתוגמל על ידי המגבר.
  3. הפוך אלקטרודות זכוכית מנימים מלוטשות אש עם חולץ אלקטרודה. ליטוש אש מונע מגרד את חוט כסף כלור עם אלקטרודות.
  4. הרדימי עש זכר עם CO 2 ולמקם אותו בתוך בלוק קלקר עם הראש בולט מהחלק העליון.
  5. לקשור את ראשו של החרק עם הקלטת של הצייר סביב הצוואר.
  6. הכנס חוט כסף המשמש כאלקטרודה התייחסות לצוואר.
  7. תחת סטראו, לשתק את אחד מהמחושים עם רצועות דקות של הקלטת של הצייר על הקצה והבסיס.
  8. לגזור 2-3 פלחים הדיסטלי של האנטנה עם מספריים כירורגיות.
  9. מקם את אלקטרודת הזכוכית ליד קצה החתך של האנטנה עם מיקרו מניפולטור.
  10. חותכים את הקצה של נימי הזכוכית עם מלקחיים כדי להשיג בקוטר מעט גדול יותר מקצה החתך של האנטנה.
  11. למלא את פיפטה הזכוכית עם (מ"מ) 6.4 KCl, 340 גלוקוז, 10 Hepes, 12 MgCl 2, 1 CaCl 2, 12 NaCl, pH 6.5.
  12. הכנס את קצה החתך של האנטנה לנימי הזכוכית עם micromanipulator.
  13. להחליק את חוט הכסף המשמש כאלקטרודה הקלטה לגפיים הגדולים ביותר של נימי הזכוכית.

3. ממשק חומרה

  1. הר כולו ההכנה, כלומר חרקי אלקטרודות-micromanipulator, על פלטת מתכת המוברגת על החלק העליון של הרובוט (איור 1). חבר את האלקטרודות לרובוט, כמתואר להלן.
  2. בהתבסס על עבודות קודמות של 25-26, עיצוב ממשק חומרה להתאים את מתח EAG פלט (סדר 1 mV בכמה MΩ) לטווח המתאים להארכת הלוח של הרובוט. הלוח מקבל 0-5 כניסות אנלוגיות V ומתח שלילי מתחת -200 mV עלול לגרום לניזק חמור. בצע את הצעדים כדי 3.2.1 3.2.4 לעצב את הממשק עם נשר.
    1. עיצוב אספקת חשמל ± 5V מסוללת +12 V באמצעות וסת מתח 78L10 (① בדמויות 2A-2C).
    2. עיצוב מגבר קדם headstage (10X) המבוסס על מכשור מגבר INA121 (③ בדמויות 2A-2C).
    3. עיצוב מגבר שלב שני (25X) עם רעש סינון (צו הראשון גבוה לעבור 0.1 מסנן הרץ, מסנן 500 הרץ נמוך לעבור מסדר השנייה, ברמה גבוהה 50 מסנן הרץ) המבוסס על ארבעה מאמרים אמפר LT1079 (315; איורים 2A-2C).
    4. עיצוב במה אות אוויר שמחשבה עם op-amp LT1079 ודיודה 1N4148 (⑤ בדמויות 2A-2C). הרווח הכולל הוא 250 ופלט EAG הוא בטווח V 0-5 עם אפס להיות ב2.5 V.
  3. חבר את האלקטרודות לתשומות EAG ההפרש (② בדמויות 2A-2C). חבר את האלקטרודה ההקלטה לכניסת היפוך של INA121 להשיג EAGs החיובי.
  4. חברו את יציאת EAG (⑥ בדמויות 2A-2C) ל12 כניסות אנלוגיות של הארכת הלוח של הרובוט. כמו כל קלט נקרא ברצף בכל אלפית שנייה, תדר הדגימה הוא 1 KHz.

4. ממשק תוכנה

הנושאים העיקריים מכילים ממשק משתמש גרפי (GUI), שיטות לזיהוי אותות ופונקציות שונות לשליטה על הרובוט.

  1. לכתוב GUI (איור 2 ד) בQt-C + + עבור נתונים להדמיה r, סינון דיגיטלי (סדר ה -5 20 הרץ נמוך לעבור סינון Butterworth) וזיהוי ריח מEAG. ניתן לבצע האחרון בשתי דרכים: או על ידי deconvolving EAG עם מסנן מתאים (גישה הנדסית, סעיף 4.2), או על ידי דוגמנות המנגנונים העצביים המאפשרים זיהוי פרומון מהיר ואמין בא עש ipsilon (גישת bioinspired, סעיף 4.3).
  2. מסנן deconvolution. EAG מתואר היטב על ידי מפל קוי 27 שמורכב מהליניאריות סטטי משוואת 1 ומסנן נמוך לעבור כדי st 1 עם פונקצית דחף מעריכי משוואה 2 עבור משוואה 3 , ראו איור 3 א. בתגובה לתנודות ריכוז ריחuation 4 "עבור: תוכן width =" "src =" / files/ftp_upload/51704/51704eq4.jpg "0.3in />, פלט EAG ניתן על ידי פיתול נפרד משוואה 5 . Deconvolution היא פשוט מתקבלת על ידי ההופכי של המערכת; כי הוא משוואה 6 בתחום התדר. לאחר מכן, משוואה 7 כהתמרה פורייה של התגובה להלם היא משוואה 8 . לזיהוי אות, בצע את הצעדים 4.2.1 ל4.2.3.
    1. לבצע את תהליך deconvolution בתחום הזמן כמו משוואה 9 ו - משוואה 10 , איור 3 ב. משוער הליניאריות משוואה 11 על ידי פונקצית פולינום. להתאים את הפרמטרים פולינום והזמן קבועים בזוגות נתוני קלט פלט כדי למזער את השגיאה מרובעת הממוצעת בין אמיתי משוואה 4 ושחזר משוואה 12 ריכוז ריח.
    2. לזהות את להיטי פרומון בכל פעם משוואה 12 עולה על סף שהוגדר מראש.
  3. גלאי neuromorphic. גישה חלופית לאיתור מורכב בחיקוי ביולוגיה. בתוך א ' עש ipsilon, נוירונים מרכזיים קבלת קלט מהאנטנה מגיבים לפרומון עם דפוס ירי סטריאוטיפי של עירור עיכוב 13. לא הודג'קין האקסלימודל הנוירון ype עם ארבעה זרמים יוניים משוואה 13 (מיישר עיכב K + נוכחית, Na + ו Ca 2 + זרמים, מוליכות קטנות 2 K Ca + תלוי + הנוכחי מתח מגודרת) פותח בעבר לשחזר את התגובות הפיזיולוגיות שנצפו 13. לזיהוי אות, בצע את הצעדים 4.3.1 ל4.3.3.
    1. ליישם את מודל הנוירון כמשוואות דיפרנציאליות. השתמש באות EAG כקלט הנוכחי משוואה 14 באבולוציה של פוטנציאל הממברנה משוואה 15 . השתמש C קיבול קרום = 22.9 pF ונוכחי דליפה שניתן על ידי משוואה 16 עם L גרם מוליכות = 0.011161 μS וL E פוטנציאל היפוך = -61.4 mV. הזרמים היוניים מתוארים על ידי משוואה 17 עם משוואה 18 על ידי שבו משוואה 19 הם פונקציות קוי של V. ראו עבודה קודמת 13 לפרטים.
    2. לדמות את מודל נוירון בזמן אמת עם סירנה על ידי שילוב המשוואות דיפרנציאליות עם שיטת רונגה-קוטה סדר ה 4 וצעד זמן משוואה 20 = 0.01 אלפיות שני. הפעל את V מבחן ספייק (ו t)> 0 (ו t mV ו-V - משוואה 20 ) <0 mV באינטרנט כדי להשיג פעמים ספייק וinterspike מרווחים.
    3. זיהוילהיטי פרומון בכל פעם בפרץ של עירור (3 מרווחים רצופים interspike <70 אלפיות שני) ואחריו עיכוב (interspike msec ≥ מרווח 350), ראו איור 3 ג.

Representative Results

הפרוטוקול שתואר לעיל היה בדקה ראשונה עם 20 פולסים קצרים אלפיות שניים של פרומון (מיקרוגרם מינון 1 ו10 מיקרוגרם) מנופחים ישירות על האנטנה. איור 4 א מציג את EAGs בתגובה לפולסים פרומון. הם חיוביים כי האלקטרודה ההקלטה הייתה קשורה לקלט היפוך של המגבר, כמתואר בשלב 3.3. כפי שצוין על ידי ספקטרום הכוח, מערכת המדידה היא מסוגלת לפתור פולסים פרומון עד 10 הרץ. לשם השוואה, אנחנו גם נבדקו חיישן גז זמין באופן מסחרי. TGS2620 הוא חיישן תחמוצת מתכת מיוצר לצורך זיהוי של אדי חומר. למרות שהחיישן מציג רגישות גבוהה לאתנול, הוא לא היה מסוגל לעקוב אחר שינויים בריכוז (ראה עקומה המקווקו באיור 4 ב). הבעיה הגיעה מדיור החיישן. TGS2620 הוא ממוסחר עם כובע שיש לו גזה נירוסטה חסינת אש. זמן התגובה הוא איטי בגלל, בפועל, זה לוקחזמן מסוים לגז לנטרל באמצעות הגזה ולהגיע למשטח תחמוצת מתכת. שחזור הוא גם איטי כי זה לוקח זמן כדי לנקות את החיישן כאשר הגז הוא לכוד בתוך הכובע. לפיכך, אנו הסרנו את הכובע ושינוי זה שיפר את הדינמיקה באופן משמעותי (ראה עקומה רגילות באיור 4 ב). ובכל זאת, לא היה גורם עשרה בין EAG וTGS2620 (10 הרץ מול הרץ 1). השוואה זו היא בכל זאת איכותית כEAG וTGS2620 לא נבדק באותם תנאים.

לאחר מכן, אנו הערכנו את היציבות לאורך הזמן של ההכנה כל חרקים שלנו (n = 12 עש) בהשוואה לאנטנות נכרתו (n = 7 אנטנות). EAG נרשם מעת לעת, בתגובה לגירויי פרומון (אלפיות משך 500, מינון 1 מיקרוגרם). EAGs גלם (בmV) הוסב לEAGs היחסי (באחוזים מהערך הראשוני שהושגו בזמן t = 0). איור 5 מראה יציבות טובה מאוד של ההכנה כל החרקים שלנוaration בתוך יום עבודה. לעומת זאת, נרשם EAGs על ירידת אנטנות מבודדת במהירות לאורך זמן, כך שהאות נופלת למחצית מהערך הראשוני שלה רק לאחר 1.5 שעות. תלות בזמן זה מתואר היטב על ידי דעיכה מעריכית עם חיים שלמים של שעה 2.

לבסוף, בדקנו את היכולת של plateform רובוטית EAG לחפש מקור ריח (מתחם הפרומו Z7-12: OAC) משתמש באסטרטגית חיפוש תגובתי (איור 6 א). אסטרטגיית החיפוש משלבת פרץ נגד רוח בכל פעם שפרומון מזוהה עם ליהוק ספירלה בהיעדר התגליות 28. הנוכחות של פרומון הוא זוהה מEAG ידי גלאי neuromorphic, כפי שתוארו בשלב 4.3. שתי דוגמאות של EAG נרשמו במהלך החיפוש מוצגות באיור 6. ללא מקור הריח, EAG נשאר סביב אפס (כלומר 2.5 V) עם מעט מאוד או לא לתגליות. הרובוט מבצע ליהוק ספירלה, ובדרך כלל עוזב את חיל המשלוח בריטי מרחב החיפושעפרות להגיע למיקום היעד (ב92% מהניסויים, n = 26 ניסויים, איור 6C מימין). עם מקור הריח (איור 6C משמאל), EAG מציג פרצי הפעילות (תגליות) שזורים בתקופות של שקט (לא לתגליות). ליהוק ספירלה מתרחש בעיקר בקווי מתאר הפלומה (איור 6C שמאל, קו אדום) ונראה כי אסטרטגיה יעילה להעברת אמצע הפלומה כאשר הריח הולך לאיבוד. במצב זה, את המקור הוא נמצא בדרך כלל (שיעור הצלחה = 96%, n = 44 ניסויים).

איור 1
איור 1. שלמים חרקים הכנת EAG והתקנה רובוטית.) Electroantennogram (EAG) נרשמה מהכנה כל חרקים (ראה טקסט לפרטים נוספים). ב ') ההכנה היא רכוב על לשדודot. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2
איור 2. חומרת תוכנת ממשק. א) סכמטית הנשר של החומרה. המעגל מורכב משישה חלקים (ראה טקסט לפרטים נוספים). זה מאפשר (הרץ תדרי .1-500, ברמה גבוהה ב50 הרץ) סינון, הגברה (סה"כ 250X רווח) ואוויר אות ב0-5 V. B הטווח) פריסת נשר מראה קווים של נחושת (החלק העליון הוא בצבע אדום ו לוח תחתון בכחול) וחורים (בירוק). C) מעגלים מודפסים (PCB) מראה את האלמנטים דיסקרטיים ממשק. ד) משתמש גרפי (GUI) נכתב בQt-C + + להדמיה נתונים (זכר אדום = קלט EAG, סימן ירוק= פלט מודל נוירון), עיצוב מסנן וזיהוי אותות. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3
איור 3. זיהוי איתותים מEAG. א) מודל Electroantennogram (EAG). EAG הוא מודל על ידי מפל קוי 27 שמורכב מהליניאריות סטטי ואחריו מסנן מעביר נמוך כדי 1 st עם פונקצית דחף מעריכי משוואה 21 . פלט EAG ניתן על ידי פיתול נפרד עם משוואה 22 . ב ') גישת הנדסה. Filt deconvolutionאה כותב משוואה 23 ו - משוואה 24 , לראות את הטקסט לקבלת פרטים. מפגשי ריח (להיטים) מתגלים בכל פעם משוואה 12 עולה גישת סף מוגדר מראש. C) בהשראה ביו. מודל הנוירון סוג הודג'קין האקסלי עם חמישה זרמים פנימיים (דליפה, K +, Na +, Ca 2 + ו SK) משמש כדי לשחזר את דפוס הירי הנצפה של עירור עיכוב (EI) נצפה בניסוי 13. לגילוי אות, אות EAG משמשת כקלט הנוכחי ולהיטים מזוהים בכל פעם בפרץ של התרגשות ואחריו עיכוב בפעילות הירי.

איור 4 < br /> איור 4. זמן תגובת EAG. א) הקלטות EAG בתגובה ל20 פולסים msec פרומון (מיקרוגרם מינון 1 ו10 מיקרוגרם) נמסרו בשיעורים שונים (1, 2, 4, 6, 8, ו10 פעימות / sec). ספקטרום הכוח EAG המנורמל מוצג לגירוי פעמו ב1 הרץ ו10 (במינון 1 מיקרוגרם ו10 מיקרוגרם). EAG פותר פולסים בודדים עד להקלטות 10 הרץ. ב ') מחיישן גז TGS2620 בתגובה לאתנול (תנודות ריכוז). העקומות המקווקוות ורגילות הן תגובת החיישן עם ובלי הכובע, בהתאמה. החיישן עם הכובע יש לו זמן תגובה של עשרות שניות ולכן לא ניתן כדלקמן התנודות בריכוז הגז. TGS2620 בלי כובע פותר תנודות בודדות עד 1 הרץ. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

תמיד "> איור 5
איור 5. יציבות EAG (הכנת חרקים שלמה לעומת אנטנה נכרתה). EAG נרשם בכל שעה במהלך 8 שעות להכנת כל החרקים (n = 12 עש) וכל 20 דקות במהלך 3.2 שעה לאנטנות נכרתו (n = 7 אנטנות). איור מציג EAGs היחסי (באחוזים מהערך הראשוני שהושגו בזמן t = 0). התלות בזמן עבור אנטנות נכרתו מצוידת היטב על ידי דעיכה מעריכית עם חיים שלמים של 2 שעות (זמן מחצית חיים של 1.5 שעות).

איור 6
איור 6. ניסויים לכיסוח.) אסטרטגיית הליהוק גל משלבת פרץ נגד רוח בנוכחות של הריח עם ליהוק ספירלה בהעדרה) EAG אופייני 28. B שנרשם במהלך החיפוש בזמן שהרובוט נע (עם ובלי הריח) מסלולי רובוט. C) עם ריח (n = 44 ניסויים) וללא ריח (n = 26 ניסויים). הקו המקווקו האדום מייצג את גובה הפלומה בי 90% מכל התגליות התרחשו במהלך הניסויים. תנאי ניסוי: מרחב חיפוש = 4 MX 2.5 מ ', המהירות של הרובוט = 5.6 סנטימטר / שנייה, יעד = 10 מיקרוגרם של פרומון שהופקד על מסנן נייר ולהחליף כל 2 בניסויים, מיקום רובוט ראשוני = 2 מ' מהיעד, מהירות רוח = 0.9 ± 0.2 מ '/ שנייה במיקום היעד. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Discussion

לפני כמעט עשרים שנה, קאנזאקי ועמיתיו היו חלוצים ברעיון של שימוש ברובוטי EAGs חוש הריח 29-30. הטכניקה שלהם הייתה מבוססת במקור על אנטנות ניכרות. הנה, הקלטנו מאנטנות שלמות כדי לשפר את הרגישות ואת חייו של התכשיר. מחקרים אחרים 31-32 הבחינו גם את עליונותו של גוף כל הכנות על אנטנות מבודדות. בניסויים הרובוטית שלנו, שחווינו הקלטות יציבים בתוך יום. לעומת זאת, נרשם EAGs באנטנות בודדות יש אורך חיים של שעה 2 (איור 5).

פלטפורמת EAG-הרובוטית שלנו פותחה בעיקר כדי לבחון השערות ביולוגיות על קידוד חוש הריח ואסטרטגיות חיפוש בחרקים 13. בדומה לתאי עצב מרכזיים קבלת קלט ממחושי חרקים, אנחנו מחוברים מודל הנוירון לאנטנת עש אמיתי על רובוט וביצעו זיהוי פרומון המבוססים על דפוס הירי שלה. אירועים באיתור ובזיהוי אי היולאחר מכן להשתמש בכונן הרובוט לכיוון המקור של פרומון. אסטרטגיית חיפוש תגובתי נחשבת כאן נכתבה בהשראה את דפוסי ההתנהגות של עש זכר נמשך על ידי פרומון מין. הוא ביצע היטב בתנאי מעבדה (איור 6), המאפשר הלוקליזציה של מקור פליטה נמוכה (מינון פרומו של 10 מיקרוגרם במקרה שלנו לעומת 10 מ"ג בעבודה קודמת 24) במרחב חיפוש גדול יחסית (מרחק ממקור ראשוני של 2 מ ' לעומת 10 סנטימטר בניסויים קודמים 20-21).

ניסויים רובוטיים אלה צריכים להיחשב כהוכחה של מושג מראה כי אנטנות חרקים מתאימות לחיפושי חוש הריח רובוטית. למרות מחושים חרקים ידועים להגיב לגזים, סמים וחומרים נפץ 9-11 רעילים, כמה הרחבות נדרשות להתמודדות עם יישומים בעולם אמיתיים. ראשית, שיטת חיפוש מתוחכמת יותר 34-36 עשויה להיות יעילה יותר במרחקים מעבר 10 מ ', כאשר הרכישה מחדששל הפלומה הופכת להיות מאוד לא סבירה. שנית, ייתכן שיהיה צורך לשלב EAGs ממינים שונים בתצורת האף יו האלקטרוני 14 על מנת לזהות ניחוחי של אינטרסים. שלישית, יכולות חישת סטריאו מתקבלות על ידי הקלטה משתי האנטנות של אותו החרק עשויות להוכיח מועילות במונחים של יעילות. שני חיישנים מועסקים במקביל אכן עשויים להגדיל את הכיווניות. הרביעית, שלוחות של אסטרטגיית החיפוש לחיפושים רובוטית קולקטיביים 37 הם צריכים להיחשב ליישומים מעשיים גם אם הם לא רלוונטיים מבחינה ביולוגית במקרה של עש.

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 גיליון 90 רובוטיקה electroantennogram EAG חיישן גז האף אלקטרוני חיפוש חוש הריח גל והליהוק עש חרקים לחוש ריח נוירון
באמצעות חיישני Electroantennogram חרקים על אוטונומי רובוטים לחיפושי חוש הריח
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