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.
Robotar som syftar till att spåra kemiska läckage i farliga industrianläggningar 1 eller explosiva spår i landminor fält 2 stöta på samma problem som insekter födosök för mat eller söka efter kompisar 3: lukt sökningen begränsas av fysiken i turbulenta transport 4. Koncentrationen landskap av vindburna lukter är diskontinuerlig och består av sporadiskt placerade fläckar. En förutsättning för lukt sökning är att intermittent lukt patchar upptäcks. På grund av dess höga hastighet och känslighet 5-6, ger luktorganet av insekter en unik möjlighet för upptäckt. Insect antenner har använts tidigare för att upptäcka inte bara kön feromoner 7 men även kemikalier som är relevanta för människor, t.ex. flyktiga föreningar som härrör från cancerceller 8 eller giftiga och olagliga substanser 9-11. Vi beskriver här ett protokoll för att använda insekts antenner på autonoma robotar end presentera ett proof of concept för att spåra lukt plymer till deras källa. Den globalt svar på lukt nervceller registreras på plats i form av electroantennograms (rådgivande expertgrupper). Vår experimentell design, baserad på en hel insekts förberedelse, medger stabila inspelningar inom en arbetsdag. I jämförelse, rådgivande expertgrupper på exciderade antenner har en livslängd på 2 timmar. En anpassad hårdvara / mjukvara gränssnitt utvecklades mellan EAG elektroderna och en robot. Mätsystemet löser enskilda lukt patchar upp till 10 Hz, vilket överstiger den tidsskala av konstgjorda kemiska sensorer 12. Effektiviteten i EAG sensorer för lukt sökningar visas vidare i att köra roboten mot en källa till feromon. Genom att använda samma lukt stimuli och sensorer som i riktiga djur, ger vår robotplattform ett direkt sätt för att testa biologiska hypoteser om lukt kodning och sökstrategier 13. Det kan också vara av värde för att upptäcka andra odörer av intressen genomkombinera rådgivande expertgrupper från olika insektsarter i ett bioelectronic näsa konfiguration 14 eller med hjälp av nanostrukturerade gassensorer som efterliknar insekt antenner 15.
Numera är djur som hundar ofta i säkerhets-och säkerhetstillämpningar som involverar lokaliseringen av kemiska läckage, droger och sprängämnen på grund av deras utmärkta lukt detektionskapacitet 16. Ändå visar de beteendemässiga variationer, tröttnar efter ett omfattande arbete, och kräver ofta omskolning som deras prestanda minskar med tiden 17. Ett sätt att kringgå dessa begränsningar är att ersätta utbildade hundar med luktrobotar.
Trots spårning dofter och luktkällor är en stor utmaning i robotik. I turbulenta miljöer, är landskapet av en lukt plym mycket heterogen och ostadig, och består av sporadiskt placerade fläckar 4. Även vid måttliga avstånd från källan, så kort som några meter, upptäckter blir sporadisk och endast ge ledtrådar intermittent. Dessutom gör lokala koncentrationsgradienter under upptäckter i allmänhet inte peka mot källan. Givet skivaontinuous informationsflöde och begränsad lokal information när upptäckter görs hur man navigerar en robot mot källan?
Det är väl känt att insekter som manliga nattfjärilar använder kemisk kommunikation för att lyckas hitta sina kompisar över långa avstånd (hundratals meter). För att göra det, de antar en stereotypa beteenden 18-20: de överspännings vinden i ryggen vid avkänning av en lukt lapp och utföra en utökad sökning kallas gjutning när lukt informationen försvinner. Denna uppgång-casting strategi är rent reaktiv, är det vill säga åtgärder helt bestäms av nuvarande uppfattningar (upptäckt och icke-upptäckt händelser). Men dess genomförande på lukt robotar hade begränsad framgång i det förflutna eftersom upptäckten av lukt patchar försvåras av långsamheten artificiella gassensorer.
Metalloxidsensorer som används i de flesta av de olfaktoriska robotar har svars-och återhämtningstider för flera tiotals sekunder, så att de i allmänhet välja utsvängningarna koncentrations stött på i turbulenta plymer 21. Däremot är svarstiden för insekts chemoreceptors mycket kortare, till exempel, är mindre än 50 ms 22 stigtid insekts electroantennograms (rådgivande expertgrupper). Följaktligen, genom att använda insekts rådgivande expertgrupper, är luktpulser lösas på frekvenser av flera Hertz 23. Denna egenskap gör EAG sensorer väl lämpad för detektering av lukt filamenten i naturliga plymer. Vi beskriver här ett protokoll för att bädda insekts rådgivande expertgrupper på robotar som möjliggör effektiva lukt sökningar med våg och gjutning strategier.
Nästan tjugo år sedan, Watanabe och hans kollegor var först med idén att använda rådgivande expertgrupper på luktrobotar 29-30. Deras teknik var ursprungligen baserad på exciderad antenner. Här spelade vi från intakt antenner för att förbättra känsligheten och livslängden av preparatet. Andra studier 31-32 märkte också överlägsenhet hela kroppen preparat över isolerade antenner. I våra robot experiment, vi upplevt stabila inspelningar inom en dag. I kontrast tid främst skett genom inspelad på isolerad antenner har en livslängd på 2 h (figur 5).
Vår EAG-robotplattform främst utvecklad för att testa biologiska hypoteser om lukt kodning och sökstrategier i insekter 13. Liknar centrala neuroner som tar emot input från insekts antenner, vi anslutit en neuron-modell till en riktig nattfjäril antenn på en robot och utfört feromon upptäckt baserat på dess bränning mönster. Detection och icke-upptäckt händelser varsedan användas för att driva roboten mot källan av feromon. Den reaktiva sökstrategi anses här inspirerades av de beteendemönster hos manliga fjärilar lockas av ett kön feromon. Det gick bra i laboratoriemiljö (Figur 6), vilket möjliggör lokalisering av en låg utsläppskälla (feromon dos på 10 mikrogram i vårt fall jämfört med 10 mg i tidigare arbete 24) i ett relativt stort sökning utrymme (initial avstånd från källan till 2 m kontra 10 cm i tidigare experiment 20-21).
Dessa robot experiment bör betraktas som ett proof of concept som visar att insekts antenner är lämpliga för robotlukt sökningar. Även insekts antenner är kända för att reagera på giftiga gaser, droger och sprängämnen 9-11, finns flera anknytningar behövs för att klara verkliga applikationer. Först får en mer sofistikerad sökmetod 34-36 vara effektivare på avstånd längre än 10 m, då återförvärvav plymen blir mycket osannolik. För det andra, kan det vara nödvändigt att kombinera rådgivande expertgrupper från olika arter i en bio-elektronisk näsa konfiguration 14 för att detektera odörer av intressen. För det tredje, kan stereo avkänningsförmåga erhållits genom att spela in från de två antenner av samma insekt vara till nytta när det gäller effektivitet. Två sensorer som används parallellt kan faktiskt öka riktverkan. För det fjärde, förlängningar av sökstrategi till kollektiva robot sökningar 37 är borde övervägas för praktiska tillämpningar, även om de inte är biologiskt relevant i fråga om nattfjärilar.
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 |