Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Neuroscience

Использование насекомых Electroantennogram Датчики на автономных роботов для обонятельных альбом

doi: 10.3791/51704 Published: August 4, 2014

Abstract

Роботы, разработанные для отслеживания химических утечек в опасных производственных объектов 1 или взрывоопасных следов от мин полей 2, сталкиваются с проблемой, как насекомые поисках пищи или поиск товарищей 3: обонятельная поиск сдерживается физике турбулентного переноса 4. Концентрация пейзаж ветровых иметь запахов разрывно и состоит из спорадически расположенных пятен. Предпосылкой к обонятельной поиска является то, что прерывистый запах патчи обнаружено. Из-за своей высокой скорости и чувствительности 5-6, орган обоняния насекомых предоставляет уникальную возможность для обнаружения. Насекомое антенны были использованы в прошлом для выявления не только половые феромоны 7, но и химические вещества, которые имеют отношение к людям, например, летучие соединения, исходящие от раковых клеток 8 или токсичных и запрещенных веществ 9-11. Мы описываем здесь протокол для использования антенны насекомых на автономных роботовг представить доказательство концепции для отслеживания запах перья к их источнику. Глобальный ответ обонятельных нейронов записывается на месте в виде electroantennograms (ЕАГО). Наша опытно-конструкторских, на основе всего препарата насекомых, позволяет стабильные записи в течение рабочего дня. Для сравнения, ЕАГО на вырезанных антенн имеют срок службы 2 часов. Интерфейс пользовательские аппаратного / программного обеспечения была разработана между электродами ЕАГ и роботом. Измерительная система решает индивидуальные запах патчи до 10 Гц, что превышает временную шкалу искусственных химических датчиков 12. Эффективность ЕАГ датчиков для обонятельных поисках далее демонстрируется в продвижении робота в сторону источника феромона. Используя одинаковые обонятельные стимулы и датчики, как и в реальных животных, наша робота платформа обеспечивает прямое средство для тестирования биологических гипотез о обонятельной кодирования и стратегии поиска 13. Он также может оказаться полезным для обнаружения других отдушки интересов пообъединения ЕАГО из разных видов насекомых в биоэлектронного конфигурации носа 14 или с помощью наноструктурированных газовых сенсоров, которые имитируют насекомых антенны 15.

Introduction

В настоящее время, животные, как собаки часто используются в приложениях безопасности и безопасности, которые вызывают локализацию химических утечек, наркотических и взрывчатых веществ, потому что их превосходными возможностями обнаружения запаха 16. Тем не менее, они показывают поведенческие изменения, устают после большой работы, и требуют частого переподготовку как их производительность уменьшается с течением времени 17. Один из способов обойти эти ограничения, чтобы заменить обученных собак обонятельными роботов.

Тем не менее, отслеживание запахи и источники запаха является основной проблемой в области робототехники. В неспокойные средах, ландшафт запах шлейфа очень неоднородна и в неустойчивом положении, и состоит из спорадически расположенных пятен 4. Даже при умеренных расстояниях от источника, а короткий, как в нескольких метрах, обнаружений стать спорадическими и только обеспечивают сигналы периодически. Кроме того, локальные градиенты концентрации во время обнаружения как правило, не указывают на источник. Учитывая дискontinuous поток информации и ограниченного местной информации, когда обнаружений сделаны, как провести робота к источнику?

Известно, что насекомые, такие как мужчин моли использовать химическую связь, чтобы успешно найти своих товарищей на большие расстояния (сотни метров). Чтобы сделать это, они принимают стереотип поведения 18-20: они перенапряжений против ветра на почувствовав запах патч и выполнять расширенного поиска под названием кастинг, когда информация запах исчезает. Эта стратегия всплеск литья является чисто реактивным, т.е. действия, полностью определяются бытующим (обнаружения и не обнаружения событий). Тем не менее, его реализация на обонятельных роботов имели ограниченный успех в прошлом, поскольку обнаружение запаха патчей затрудняется медлительности датчиков искусственных газов.

Датчики Металл-оксидные, используемые в большинстве обонятельных роботов имеют реагирования и восстановления в несколько десятков секунд, так что они, как правило отфильтроватьколебания концентрации, встречающиеся в турбулентных шлейфов 21. В противоположность этому, время отклика хеморецепторы насекомых намного короче, например, время нарастания electroantennograms насекомых (ЕАГО) меньше, чем 50 мсек 22. Следовательно, с помощью ЕАГО насекомых, импульсы запаха решаются на частотах в несколько Герц 23. Это свойство делает датчики ЕАГ хорошо подходит для обнаружения запахов нитей в природных плюмов. Мы описываем здесь протокол для встраивания ЕАГО насекомых на роботов, позволяющих эффективных обонятельных поиска с использованием всплеск и литья стратегии.

Protocol

Протокол основан на имеющихся в продаже робота (см. таблицу материалы) и мужчин моли (Agrotis Ipsilon) с их полового феромона. Тем не менее, она может быть адаптирована с незначительными изменениями с другими видами насекомых, одорантов, а также роботов.

1. Насекомые

  1. Задний личинки Agrotis Ipsilon Hufnagel (Lepidoptera: Noctuidae) на искусственной диете, и поддерживать их в отдельных пластмассовых чашках, пока окукливания при 23 ± 1 ° С и 50 ± 5% относительной влажности, как описано выше 24.
  2. Секс куколки и держать взрослых мужчин отдельно от женщин в пластиковые коробки. Дайте им свободный доступ к 20% раствора сахарозы.
  3. Выполните эксперименты с самцами. Мужской моли очень чувствительны к полового феромона, испускаемого их конспецифичный женщин. В А. Ipsilon, основным компонентом феромонов, цис-7-додеценил ацетат (Z7-12: ОАс) является наиболее активным соединением на антенне.
Заголовка "> 2. электрофизиологии

  1. Запись ЕАГ из целого насекомых препарата, как описано ниже (фиг.1А). Интактные антенны предпочтительнее вырезанной антенн, так как они обладают более продолжительный срок службы (см. репрезентативные результаты).
  2. Хлорируют две серебряные провода путем погружения в концентрированной раствор отбеливателя для 10-20 мин и смойте после этого. Этот процесс предотвращает электроды от определения направления. Это должно быть повторено, когда базовый дрейфует в ходе экспериментов или когда напряжение смещения между электродами становится слишком большой, чтобы быть компенсировано усилителя.
  3. Сделать стеклянные электроды из огнестрельного полированных капилляров с электродной съемника. Огонь полировка предотвращает царапины хлорированного серебряной проволоки с электродами.
  4. Обезболить мужской моли с CO 2 и поместите его в пенопластовый блок с главой выступающие сверху.
  5. Привязанный голову насекомого с лентой живописца вокруг шеи.
  6. Вставьте серебряной проволоки, выступающей в качестве электрода сравнения в шею.
  7. Под стереомикроскопом, обездвижить один из усиков с тонкими полосками ленты художника на кончике и основанием.
  8. Вырежьте дистальных 2-3 сегментов антенны с хирургическими ножницами.
  9. Установите стеклянного электрода вблизи выреза кончика антенны с микро-манипулятора.
  10. Вырезать из оконечность стеклянного капилляра щипцами, чтобы получить диаметр, немного больший, чем вырезом края антенны.
  11. Заполните стеклянную пипетку с (в мМ) 6,4 KCl, 340 глюкозы, 10 HEPES, 12 MgCl 2, 1 CaCl 2, 12 NaCl, рН 6,5.
  12. Вставить вырезанный кончик антенны в стеклянный капилляр с микроманипулятора.
  13. Наденьте серебряную проволоку подают в качестве записывающего электрода в крупнейшей оконечности стеклянного капилляра.

3. Аппаратный интерфейс

  1. Установите всю подготовку, то есть насекомых-электроды-микроманипулятор, на металлическую пластину ввинчивается в верхней части робота (рис. 1В). Подсоединения электродов к роботу, как описано ниже.
  2. На основе предыдущих работ 25-26, дизайн аппаратный интерфейс для адаптации выходное напряжение ЕАГ (порядка 1 мВ на нескольких МОм) к диапазону, подходящей для расширения борту робота. Совет принимает 0-5 аналоговых входов и отрицательное напряжение ниже -200 мВ может причинить серьезный ущерб. Следуйте инструкциям 3.2.1 3.2.4 спроектировать интерфейс с орлом.
    1. Дизайн блока питания ± 5V от +12 батареи с помощью регулятора напряжения 78L10 (① на рисунках 2A-2C).
    2. Дизайн headstage предусилитель (10X) на основе инструментального усилителя INA121 (③ в рисунках 2A-2C).
    3. Дизайн второго этапа усилитель (25X) с фильтрации шума (первого порядка высоких частот 0,1 Гц фильтр, второго порядка низких частот 500 Гц фильтр, качество 50 Гц фильтр) на основе четырехъядерных OP-AMPS LT1079 (315; на фиг.2А-2С).
    4. Дизайн этап формирования сигнала, которая вычисляет с ОУ LT1079 и диод 1N4148 (⑤ на рисунках 2А-2С). Общий прирост составляет 250, а выход ЕАГ находится в диапазоне 0-5 В с нулевым будучи в 2,5 В.
  3. Подключите электроды к дифференциальной ЕАГ входов (② на рисунках 2A-2С). Подключите записи электрод к инвертирующий вход INA121 получить положительные ЕАГО.
  4. Подключите выход ЕАГ (⑥ на рисунках 2A-2C) с 12 аналоговых входов плате расширения робота. Поскольку каждый вход читать последовательно каждую миллисекунду, частота дискретизации 1 кГц.

4. Программный интерфейс

Основные темы содержат графический интерфейс пользователя (GUI), методы обнаружения сигнала и различных функций для управления роботом.

  1. Написать GUI (рис. 2D) в Qt-C + + FO визуализация данных г, цифровая фильтрация (20 Гц 5-го порядка Баттерворта фильтр низких частот) и обнаружение запаха от ЕАГ. Последнее может быть выполнена двумя способами: либо путем деконволюции ЕАГ с соответствующим фильтром (инженерный подход, раздел 4.2), или путем моделирования нервные механизмы, которые позволяют оперативно и точно обнаруживать феромона в А. Ipsilon моли (биоинспирированных подход, раздел 4.3).
  2. Деконволюция фильтр. ЕАГ хорошо описывается нелинейной каскада 27, который состоит из статической нелинейности Уравнение 1 и 1-го порядка фильтр низких частот с экспоненциальной импульсной функции Уравнение 2 для Уравнение 3 , См. рисунок 3А. В ответ на колебания концентрации запахатуации 4 "FO: контент-ширины =" 0.3in "Первоначально" / files/ftp_upload/51704/51704eq4.jpg "/>, выход ЕАГ задается интегралом свертки Уравнение 5 . Деконволюция просто получен обратной системы; то есть Уравнение 6 в частотной области. Затем Уравнение 7 как преобразование Фурье импульсной характеристики является Уравнение 8 . Для обнаружения сигнала, выполните следующие действия 4.2.1 и 4.2.3.
    1. Выполнение процесса деконволюции во временной области, как Уравнение 9 и Уравнение 10 , 3В. Приблизительная нелинейность Уравнение 11 полиномиальной функцией. Установите полиномиальные параметры и время постоянные на пар данных ввода-вывода, чтобы минимизировать средний квадрат ошибки между реальным Уравнение 4 и реконструировано Уравнение 12 Концентрация запаха.
    2. Обнаружение феромона хиты всякий раз, когда Уравнение 12 превышает заданное пороговое значение.
  3. Neuromorphic детектор. Альтернативный подход к обнаружению заключается в имитации биологию. В А. Ipsilon моли, центральные нейроны, получающие сигнал от антенны реагировать на феромона с стереотипного схеме срабатывания от возбуждения-торможения 13. Ходжкина-Хаксли тип нейрон модель с четырьмя ионных токов Уравнение 13 (Задержкой выпрямитель К + тока, напряжения закрытого Na + и Са 2 + токи, небольшой проводимость Са 2 +-зависимых К + ток) была ранее разработана для воспроизведения физиологическую реакцию, наблюдаемую 13. Для обнаружения сигнала, выполните следующие действия 4.3.1 4.3.3.
    1. Реализовать модель нейрона как дифференциальных уравнений. Используйте сигнал ЕАГ в качестве входного тока Уравнение 14 в эволюции мембранного потенциала Уравнение 15 . Используйте мембраны емкость С = 22,9 пФ и ток утечки, данное Уравнение 16 с проводимость г L = 0.011161 мкСм иобратный потенциал Е Л = -61,4 мВ. Ионные токи описываются Уравнение 17 с Уравнение 18 тем, где Уравнение 19 которые нелинейными функциями V. См. предыдущую работу 13 для деталей.
    2. Имитация модели нейронов в режиме реального времени с Sirene путем интегрирования дифференциальных уравнений с 4-го порядка методом Рунге-Кутта и временной шаг Уравнение 20 = 0,01 мс. Выполните проверку на шип V (П)> 0 мВ и В - Уравнение 20 ) <0 мВ онлайн для получения раз шипованные и межспайковые интервалы.
    3. Обнаружениеферомонов хитов, когда взрыв возбуждения (3 последовательных интервалов межспайковые <70 мс) следует торможения (межспайковые интервала ≥ 350 мс), см. рис 3C.

Representative Results

Протокол, описанный выше, был впервые опробован с короткими 20 мс импульсов феромона (доза 1 мкг и 10 мкг) непосредственно надутыми на антенне. Фиг.4А показывает ЕАГО в ответ на импульсы феромона. Они являются положительными, так как запись электрод был соединен с инвертирующим входом усилителя, как описано на стадии 3.3. Как указано в спектре мощности, измерительная система в состоянии решить импульсы феромона до 10 Гц. Для сравнения мы также протестировали имеющийся в продаже газовый датчик. TGS2620 представляет собой датчик оксида металла изготовлены для обнаружения паров растворителей. Хотя датчик представляет высокую чувствительность к этанолу, это было не в состоянии следить за изменением концентрации (см. пунктирную кривую на рис 4В). Проблема прибыла из корпуса датчика. TGS2620 на коммерческую с крышкой, которая имеет пламени нержавеющая сталь марлю. Время отклика медленно, потому что на практике это занимаетопределенное время для газа диффундировать через марлю и достичь поверхности оксида металла. Восстановление также медленно, потому что требуется время, чтобы очистить датчик, когда газ в ловушке внутри крышки. Поэтому мы сняли крышку и эта модификация значительно улучшилось динамику (см. простой кривой на рис 4В). Тем не менее, было фактором десять между ЕАГ и TGS2620 (10 Гц по сравнению с 1 Гц). Это сравнение тем не менее качественный как ЕАГ и TGS2620 не были испытаны в тех же условиях.

Затем мы оценили стабильность во времени всей насекомых нашей подготовки (п = 12 моли) по сравнению с вырезанной антенн (п = 7 антенн). ЕАГ периодически записываются в ответ на феромон стимуляции (продолжительность 500 мс, дозы 1 мкг). Сырье ЕАГО (в мВ) были преобразованы в относительных ЕАГО (процент первоначального значения получены в момент времени Т = 0). Рисунок 5 показывает очень хорошую стабильность нашего целого насекомых прептовка в течение рабочего дня. В противоположность этому, ЕАГО записаны на изолированном снижении антенн быстро с течением времени так, чтобы сигнал падает до половины своего первоначального значения после всего лишь 1,5 часа. На этот раз зависимость хорошо описывается экспоненциальной распада со сроком службы 2 часов.

Наконец, мы проверили способность робота цех изготовления печатных форм ЕАГ для поиска источника (феромон соединение Z7-12: ОАс) запах, используя реактивную стратегию поиска (рис. 6а). Стратегия поиска сочетает против ветра от всплесков каждый раз феромон обнаруживается со спиральным литья при отсутствии обнаружения 28. Наличие феромона обнаружено от ЕАГ по neuromorphic детектора, как описано на стадии 4.3. Два примера ЭАГ, записанные во время поиска показаны на фиг.6В. Без источника запаха, ЕАГ остается около нуля (т.е. 2,5 В) с очень немногими или никакими обнаружений. Робот выполняет спираль литье и вообще оставляет пространство поиска BEFруды достижения целевой расположение (в 92% испытаний, N = 26 испытаний, фиг.6С справа). С источником запаха (рис. 6C слева), ЕАГ представляет всплески активности (обнаружений) переплетаются с периодами молчания (без вирусах и вредоносных программах). Спираль литья в основном происходит в плюмов контура (рис. 6С слева, красная линия) и, кажется, эффективная стратегия для перемещения факела осевую когда запах теряется. В этом состоянии, источник обычно находится (вероятность успеха = 96%, N = 44 испытаний).

Рисунок 1
Рисунок 1. Всего насекомых подготовка ЕАГ и роботизированной установки.) Electroantennogram (ЕАГ) записывается с цельной насекомых подготовки (см. текст). B) Подготовка установлен на ограбитьOT. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 2
Рисунок 2. Интерфейс Программно-аппаратный. A) Eagle схема аппаратных средств. Схема состоит из шести разделов (см. текст). Это позволяет фильтрация (полоса частот 0,1-500 Гц, качество при 50 Гц), усиление (общее усиление 250X) и формирования сигнала в диапазоне 0-5 В. В) Орел макет с указанием круга меди (верхняя находится в красный и Нижняя синим цветом) и отверстия (зеленым). C) Печатная плата (PCB) с указанием дискретных элементов. D) графический интерфейс пользователя (GUI), написано в Qt-C + + для визуализации данных (красный след = ЕАГ вход, зеленый трассировки= Выходной нейрон модель), дизайн фильтром и обнаружения сигнала. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 3
Рисунок 3. Обнаружение сигнала от ЕАГ. А) Electroantennogram (ЕАГ) модель. ЕАГ моделируется нелинейной каскада 27, который состоит из статической нелинейности последующим 1-го порядка фильтра низких частот с экспоненциальной импульсной функции Уравнение 21 . Выход ЕАГ задается интеграла свертки с Уравнение 22 . Б) инженерный подход. Деконволюция FILTэ пишет Уравнение 23 и Уравнение 24 , Подробности в тексте. Запах встречи (хитов) обнаруживаются, когда Уравнение 12 превышает заданное пороговое значение. C) Био-вдохновил подход. Тип Ходжкина-Хаксли нейрон модель с пятью внутренними течениями (утечки, K +, Na +, Ca 2 + и SK) используется для воспроизведения наблюдаемую стрельбы картину возбуждения-торможения (EI) экспериментально 13 наблюдается. Для обнаружения сигнала, сигнал ЕАГ используется в качестве входной ток и попадает обнаруживаются, когда взрыв возбуждения с последующим торможения в огневом активности.

Рисунок 4 < бр /> Рисунок 4. Время ЕАГ ответ. A) ЕАГ записи в ответ на 20 мс импульсов феромона (доза 1 мкг и 10 мкг), поставляемых по другим ставкам (1, 2, 4, 6, 8 и 10 имп / с). Нормализованная спектр мощности ЕАГ показан для стимула импульсного на 1 и 10 Гц (доза 1 мкг и 10 мкг). ЕАГ решает отдельные импульсы до 10 Гц. B) Recordings от датчика газа TGS2620 в ответ на этаноле (колебания концентрации). Пунктирные и простые кривые ответа датчик с и без крышки, соответственно. Датчик с крышкой имеет время отклика десятков секунд и поэтому не может следующим образом колебания в концентрации газа. TGS2620 без крышки решает индивидуальные колебания до 1 Гц. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

всегда "> Рисунок 5
Рисунок 5. Стабильность ЕАГ (вся подготовка насекомое против вырезали антенны). ЕАГ был записан каждый час в течение 8 часов для подготовки целого насекомых (п = 12 моль) и каждые 20 мин в течение 3,2 ч в течение вырезанной антенн (п = 7 антенн). Из рисунка видно, относительные ЕАГО (процент первоначального значения, полученные в момент времени Т = 0). Зависимость от времени для вырезанной антенн хорошо оборудована по экспоненциальному распада со сроком службы 2 часов (период полураспада 1,5 часа).

Рисунок 6
Рисунок 6. Роботизированные эксперименты.) Стратегия всплеск литья сочетает против ветра всплескНаличие запаха со спиральной отливки при ее отсутствии 28. B) Типичный ЕАГ записаны во время поиска в то время как робот движется (с и без запаха). С) Робот траектории с запахом (п = 44 испытаний) и без запаха (п = 26 испытаний). Красная пунктирная линия представляет собой шлейф контур, где произошло 90% всех обнаружений во время испытаний. Условия эксперимента: пространство поиска = 4 х 2,5 м, скорость передвижения робота = 5,6 см / сек, целевых = 10 мкг феромона наносят на бумажный фильтр и менять каждые 2 испытания, робот начальное положение = 2 м от цели, скорость ветра = 0,9 ± 0,2 м / с при целевом местоположении. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Discussion

Почти двадцать лет назад, Канзаки и его коллеги впервые идея использования ЕАГО на обонятельных роботов 29-30. Их техника была первоначально основана на вырезанной антенн. Здесь мы записан с интактной антенн, чтобы улучшить чувствительность и срок службы препарата. Другие исследования 31-32 также заметил превосходство препаратов всего тела более изолированной антенн. В наших роботов экспериментов, мы испытали стабильные записи в течение дня. В противоположность этому, ЕАГО записаны на изолированных антенн имеют срок службы 2 часов (рис. 5).

Наша ЕАГ-робота платформа была разработана в основном для тестирования биологических гипотез о обонятельной кодирования и стратегий поиска в насекомых 13. Подобно центральных нейронов, получающих вход от антенн насекомых, мы подключили модель нейрона к реальному моли антенны на робота и осуществляется обнаружение феромонов на основе его схеме срабатывания. События обнаружения и не обнаружения былизатем используется для привода робота к источнику феромона. Стратегия поиска реактивной считается здесь был вдохновлен поведения среди мужчин моли привлеченных на полового феромона. Это хорошо зарекомендовал себя в лабораторных условиях (рис. 6), что позволяет локализацию источника нискоэмисионном (феромон доза 10 мкг в нашем случае по сравнению с 10 мг в предыдущей работе 24) в относительно большом пространстве поиска (начальная расстояние от источника до 2 м. по сравнению с 10 см в предыдущих экспериментах 20-21).

Эти роботы эксперименты следует рассматривать как доказательство концепции, показывающие, что усики насекомых подходят для роботизированных обонятельных поисков. Хотя усики насекомых известны реагировать на токсичных газов, наркотических и взрывчатых веществ 9-11, несколько расширений, необходимых для борьбы с реальных приложений. Во-первых, более сложный метод поиска 34-36 может быть более эффективным при расстояниях за 10 м, когда повторный захватиз шлейф становится очень маловероятным. Во-вторых, это может быть необходимо совместить ЕАГО из различных видов в био-электронные конфигурации носа 14 с целью обнаружения отдушки интересов. В-третьих, возможности стерео зондирования, полученные записи с двух антенн одного и того же насекомого может оказаться полезным с точки зрения эффективности. Два датчика, используемые в параллельном действительно может увеличить направленности. В-четвертых, расширения стратегии поиска в коллективных роботов поисках 37 являются должны быть рассмотрены для практического применения, даже если они не являются биологически значимым в случае моли.

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).
Использование насекомых Electroantennogram Датчики на автономных роботов для обонятельных альбом
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