Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Neuroscience

Koku Aramalar için Otonom Robotlar Böcek elektroantenogram Sensörleri kullanarak

doi: 10.3791/51704 Published: August 4, 2014

Abstract

Böcekler yiyecek aramakla veya arkadaşları 3 için arama gibi mayın alanları 2 yüz aynı sorun tehlikeli sanayi tesislerinin 1 veya patlayıcı izleri kimyasal sızıntıları izlemek için tasarlanmış robotlar: koku arama çalkantılı ulaşım 4 fiziği ile sınırlıdır. Rüzgar kaynaklı kokuların konsantrasyonu manzara süreksizdir ve düzensiz yerleşmiş yamalar oluşur. Koku arandığı bir ön koşul aralıklı koku yamalar tespit olmasıdır. Çünkü onun yüksek hız ve hassasiyet 5-6, böceklerin koku alma organı tespiti için eşsiz bir fırsat sunuyor. Böcek antenler örneğin insanlarda alakalı seks feromon 7 değil, aynı zamanda kimyasal madde, kanser hücreleri 8 veya toksik ve kaçak maddeler 9-11 çıkan uçucu bileşikler, sadece tespit etmek için geçmişte kullanılmıştır. Biz özerk robotlar üzerinde böcek antenleri kullanarak burada bir protokol açıklar birkendi kaynağına koku tüyleri izleme konseptinin bir kanıtı sunmak d. Koku nöronların global yanıt electroantennograms (EAGs) şeklinde yerinde kaydedilir. Bir bütün böcek hazırlık dayalı deneysel tasarım, bir iş günü içinde istikrarlı kayıtlar sağlar. Buna karşılık, kesilmiş anten üzerinde EAGs 2 saatlik bir kullanım ömrüne sahiptir. Özel bir donanım / yazılım arayüzü EAG elektrot ve bir robot arasında geliştirilmiştir. Ölçüm sistemi yapay kimyasal sensörler 12 zaman ölçeğini aşıyor 10 Hz, bireysel koku yamalar giderir. Koku aramalar için EAG sensör feromon verimi, bir kaynak robotu doğru sürüş gösterilmiştir. Gerçek hayvanlarda olduğu gibi aynı koku uyaranlara ve sensörler kullanılarak, bizim robot platformu koku kodlama ve arama stratejileri, yaklaşık 13 biyolojik hipotezleri test etmek için doğrudan araç sağlar. Ayrıca tarafından çıkarlarını diğer koku tespit için yararlı olabilirBir Biyoelektronik burun yapılandırmada 14 farklı böcek türlerinin EAGs birleştirerek veya böcek antenleri 15 taklit nano yapılı gaz sensörleri kullanarak.

Introduction

Günümüzde, köpek gibi hayvanlar sık sık, çünkü onların mükemmel koku algılama yetenekleri 16 kimyasal sızıntı, uyuşturucu ve patlayıcı madde lokalizasyonu dahil emniyet ve güvenlik uygulamalarında kullanılmaktadır. Oysa, onlar, davranışsal farklılıklar göstermektedir yoğun işten sonra yorgun ve bunların performansı zaman 17 azalır gibi sık sık yeniden eğitim gerektirir. Bu sınırlamaları aşmak için bir yolu koku robotlar tarafından eğitilmiş köpekler değiştirmektir.

Bununla birlikte, kokular ve koku kaynakları izleme robotik önemli bir sorundur. Çalkantılı ortamlarda, bir koku bulutunun manzara çok heterojen ve kararsız ve düzensiz yerleşmiş yamalar 4. oluşur. Hatta birkaç metre gibi kısa kaynaktan orta mesafelerde, tespitler sporadik olmak ve sadece aralıklı ipuçları sağlar. Ayrıca, tespitleri sırasında lokal konsantrasyonu eğimleri genellikle kaynağına doğru işaret etmemektedir. Verilen diskbilgi ve sınırlı yerel bilgi ontinuous akışı zaman algılamaları kaynağına doğru bir robot gezinmek için nasıl yapılır?

Biliyorsunuz bu tür erkek kelebekler gibi böcekler başarıyla uzun mesafelere (yüzlerce metre) üzerinden eşlerini bulmak için kimyasal iletişimi kullandıkları bilinmektedir. Bunu yapmak için, bir basmakalıp davranış 18-20 benimsemek: Onlar bir koku yama duyulması üzerine dumandan dalgalanma ve koku bilgi kaybolur zaman döküm denilen uzun bir arama yapmak. Bu dalgalanma döküm stratejisi tamamen reaktif, yani eylemler tamamen cari algıları (algılama ve non-algılama olayları) tarafından belirlenir. Koku yamalar algılama yapay gaz sensörleri yavaşlık tarafından engellenmektedir, çünkü henüz, koku robotlar üzerinde uygulanması geçmişte başarı olamadı.

Genellikle filtre böylece koku robotlar çoğunda kullanılan metal oksit sensörleri saniye onlarca müdahale ve kurtarma süreleri varÇalkantılı tüyleri 21 karşılaşılan konsantrasyon dalgalanmaları. Buna karşılık, böcek kemoreseptörlerinin tepki süresi, örneğin, böcek electroantennograms (EAGs) ve yükselme zamanı az 50 msn 22 olduğunu, çok daha kısadır. Sonuç olarak, böcek EAGs kullanarak, koku bakliyat birkaç Hertz 23 frekanslarda çözümlenir. Bu özellik doğal tüyleri koku filamentlerin saptanması için EAG sensörler de uygun hale getirir. Biz burada dalgalanması kullanarak verimli koku aramalar için izin robotlar üzerinde böcek EAGs gömme ve stratejilerini döküm için bir protokol açıklar.

Protocol

Protokol cinsel feromonu ile bir ticari olarak temin edilebilir bir robot (Malzemeler tabloya bakınız) ve erkek güveler (Agrotis ipsilon) dayanmaktadır. Ancak, bu diğer böcek türleri, koku maddeleri ve robotlar için küçük modifikasyonlar ile uyarlanabilir.

1.. Böcekler

  1. Yapay bir diyet ve 23 ± 1 ° C'de pupa kadar tek tek plastik bardak onları korumak ve daha önce 24 açıklandığı gibi% 50 ± 5 bağıl nem: Arka Agrotis ipsilon HUFNAGEL (Noctuidae Lepidoptera) larvaları.
  2. Seks pupa ve plastik kutularda kadınlarda ayrı yetişkin erkek tutmak. Onlara% 20 sukroz solüsyonu ücretsiz erişim verin.
  3. Erkek ile deneyler yapın. Erkek kelebekler kendi conspecific kadın tarafından yayılan seks feromon son derece duyarlıdır. A. In ipsilon, büyük feromon bileşeninin, cis-7-dodesenil asetat (Z7-12: OAc) anten üzerinde en aktif bileşiktir.
itle "> 2. Elektrofizyoloji

  1. Bunlar (temsilci sonuçlar bakınız) daha uzun bir ömür süresi sergileyen için bir bütün böcek preparattan EAG kaydedin (Şekil 1A), aşağıda tarif edildiği gibi. Bozulmamış antenleri eksize antenleri tercih edilir.
  2. 10-20 dakika boyunca konsantre ağartma çözeltisine daldırma ile iki gümüş tel Klorlama ve daha sonra durulanır. Bu süreç Polarize elektrotları engeller. Bu, elektrotlar arasındaki ofset gerilim yükseltici ile telafi için çok büyük olması durumunda temel deneyler sırasında sürüklenir veya her tekrarlanmalıdır.
  3. Bir elektrot çektirmesi ile yangın cilalı kapillerlerden cam elektrotlar olun. Yangın parlatma elektrotlar ile klorlu gümüş tel çizilmeye önler.
  4. CO 2 ile erkek güve uyutmak ve kafa üst çıkıntılı bir strafor blok içine yerleştirin.
  5. Boynuna ressamın bant ile böceğin kafasını halata.
  6. Boyun içine referans elektrot olarak hizmet veren bir gümüş tel yerleştirin.
  7. Stereomicroscope altında, ucu ve tabanı üzerinde ressamın bant ince şeritler ile antenlerden birini hareketsiz.
  8. Cerrahi makas ile antenin uzak 2-3 bölümleri kesip.
  9. Bir mikro-manipülatör ile antenin ucuna yakın kesilmiş cam elektrot yerleştirin.
  10. Antenin kesme ucu biraz daha büyük bir çapı elde etmek için forseps ile cam kılcal ekstremite kesin.
  11. (MM olarak) ile cam pipet doldurmak 6,4 KCl, 340 glukoz, 10 mM Hepes, 12 MgCl2, 1 CaCl2, 12 NaCl, pH 6.5.
  12. Mikromanipülatör ile cam boru içine antenin kesme ucu yerleştirin.
  13. Cam kılcal en büyük ucu içine bir kayıt elektrotu olarak hizmet eden gümüş tel Kayma.

3.. Donanım Arayüzü

  1. Bütün hazırlık montaj, yani böcek-elektrotlar-mikromanipülatör, robotun (Şekil 1 B) üstündeki vidalanan bir metal plaka üzerine. Aşağıda tarif edildiği gibi, robota elektrotları bağlayın.
  2. Önceki eserlerinden 25-26 dayanarak, robotun uzatma kurulu için uygun aralığı (birkaç MQ de sipariş 1 mV) EAG çıkış gerilimini uyum için bir donanım arayüz tasarımı. Kurulu 0-5 V analog girişleri kabul eder ve -200 mV altında bir negatif voltaj ciddi hasara neden olabilir. Eagle ile arayüz tasarımı 3.2.4 için adımlar 3.2.1 izleyin.
    1. Voltaj regülatörü 78L10 (Şekil 2A-2C ①) kullanarak bir +12 V aküden ± 5V güç kaynağı tasarımı.
    2. Enstrümantasyon amplifikatör INA121 (③ Şekil 2A-2C) dayalı bir headstage preamplifikatör (10X) tasarlayın.
    3. Quad dayalı (birinci dereceden 0,1 Hz filtresi, ikinci dereceden alçak geçiren 500 Hz filtresi, çentik 50 Hz filtre yüksek-pass) filtreleme gürültü ile ikinci aşama amplifikatör (25X) Tasarım LT1079 (op-amp315; Şekiller 2A-2C).
    4. (⑤ Şekil 2A-2C) op-amp LT1079 ve diyot 1N4148 ile hesaplayan bir sinyal klima sahne tasarlayın. Toplam kazanç 250 ve EAG çıkış sıfır 2,5 V olması ile aralığı 0-5 V olduğunu
  3. Diferansiyel EAG girişlerin (② Şekiller 2A-2C) için elektrotlar bağlayın. Pozitif EAGs elde etmek için INA121 çevirici giriş için kayıt elektrot bağlayın.
  4. Robot uzatma kurulu 12 analog girişlerine EAG çıkış (⑥ Şekil 2A-2C) bağlayın. Her giriş sırayla her milisaniye okunur gibi, örnekleme frekansı 1 KHz.

4. Yazılım Arayüz

Ana konuları, bir grafik kullanıcı arayüzü (GUI) içeren, sinyal algılama ve robotu kontrol etmek için çeşitli fonksiyonlar için yöntemler.

  1. Qt-C + + fo bir GUI (Şekil 2B) yaz r veri görselleştirme, dijital filtreleme (20 Hz 5 inci mertebeden Butterworth alçak geçiş filtresi) ve EAG gelen koku algılama. Son iki şekilde yapılabilir: uygun bir filtre (mühendislik yaklaşımı, bölüm 4.2) ile EAG dekonvolüsyonuna tarafından, ya da A. hızlı ve güvenilir feromon algılanmasına izin nöral mekanizmalarını modelleme yoluyla ipsilon güveler (Biyolojik Tabanlı Akıllı yaklaşım, bölüm 4.3).
  2. Dekonvolüsyon filtre. EAG sıra statik nonlineerliğin oluşan bir doğrusal olmayan çağlayan 27 tarafından açıklanan Denklem 1 ve üstel dürtü fonksiyonu ile 1. dereceden alçak geçirgen filtre Denklem 2 için Denklem 3 Şekil 3A. Koku konsantrasyonu dalgalı cevabentadır 4 "fo: İçerik-width =" 0.3in "src =" / files/ftp_upload/51704/51704eq4.jpg "/>, EAG çıkış ayrılmaz evrişimle verilir Denklem 5 . Dekonvolüsyon sadece sistemin ters ile elde edilir; olmasıdır Denklem 6 frekans alanında. Daha sonra, Denklem 7 Fourier olan cevabının dönüşümü olarak Denklem 8 . Sinyal tespiti için, 4.2.3 adımlar 4.2.1 izleyin.
    1. Zaman tanım olarak deconvolution işlemini gerçekleştirin Denklem 9 ve Denklem 10 Şekil 3B. Nonlineerlik yaklaştığı Denklem 11 bir polinom fonksiyonu ile. Gerçek arasındaki ortalama kare hatayı en aza indirmek için giriş-çıkış veri çiftleri üzerinde sürekli polinom parametreleri ve zaman Fit Denklem 4 ve yeniden Denklem 12 koku yoğunluğu.
    2. Feromon hit Algılama zaman Denklem 12 önceden belirlenmiş bir eşiği aşarsa.
  3. Neuromorphic dedektörü. Tespiti için bir başka yaklaşım biyoloji taklit oluşur. A. In ipsilon kelebekler, anten girişi alan santral nöronlar uyarma-inhibisyon 13 basmakalıp bir ateşleme deseni ile feromon cevap. A Hodgkin-Huxley tDört iyonik akımları ile Ype nöron modeli Denklem 13 (Geciktirilmiş düzeltici K + akımı, voltaj kapılı Na + ve Ca2 + akımı, akım Ca2 +-bağımlı K +, küçük bir iletim), daha önce gözlenen fizyolojik tepkilerini 13 üretmek için geliştirilmiştir. Sinyal tespiti için, 4.3.3 için adımlar 4.3.1 izleyin.
    1. Diferansiyel denklemler olarak nöron modelini uygulamak. Giriş akımı olarak EAG sinyalini kullanın Denklem 14 Membran potansiyeli evriminde Denklem 15 . Bir membran kapasitans C = 22.9 pF tarafından verilen bir sızıntı akımı kullanın Denklem 16 iletkenlik g L = 0.011161 uS ileters potansiyel E L = -61.4 mV. Iyonik akımları tarafından tarif edilmektedir Denklem 17 ile Denklem 18 nerede tarafından Denklem 19 V. doğrusal olmayan fonksiyonları ayrıntı için önceki çalışmalarını 13 görün.
    2. Bir 4. dereceden Runge-Kutta yöntemi ile diferansiyel denklemler ve bir zaman adım bütünleştirerek Sirene ile gerçek zamanlı nöron modeli simüle Denklem 20 = 0.01 msn. Başak testi V (t f)> 0 mV ve V (t f çalıştırın - Denklem 20 ) <Başak kez elde etmek için online ve aralıklarla interspike 0 mV.
    3. Algılamaferomon hit uyarılmasının bir patlama (3 ardışık interspike aralıklarla <70 msn) (aralığı ≥ 350 msn interspike) önlenmesi ile takip olduğunda, Şekil 3C.

Representative Results

Protokol ilk doğrudan anten üzerinde kabarık feromonun kısa 20 msan pals (doz 1 ug ve 10 ug) ile test edilmiştir, yukarıda tarif. Şekil 4A, feromon palsına yanıt olarak EAGs göstermektedir. Adım 3.3 'de tarif edildiği gibi bir kayıt elektrotu, yükselticinin ters çevirici girişine bağlanmış, çünkü olumludur. Güç spektrumu tarafından belirtildiği gibi, ölçüm sistemi 10 Hz feromon darbeler kadar çözmek mümkün değildir. Karşılaştırma için, aynı zamanda ticari olarak temin edilebilir bir gaz sensörü test edilmiştir. TGS2620 çözücü buharının tespit edilmesi için imal edilen bir metal oksit sensördür. Sensör etanol için yüksek hassasiyet sunar, ancak (Şekil 4B kesik eğri bakınız) konsantrasyon değişimleri takip edemedi. Sorun, sensör yuvası geldi. TGS2620 bir alev geçirmez paslanmaz çelik gazlı bez olan bir kap ile ticari. Uygulamada, bu alır, çünkü tepki süresi yavaşgazlı bez ile yaygın ve metal oksit yüzeye ulaşmak için gaz için belli bir zaman. Gaz kap içine sıkışmış zaman sensörünü temizlemek için zaman alır, çünkü Kurtarma da yavaş. Bu nedenle, kapak çıkarılır ve bu değişiklik (Şekil 4B'de düz eğri bakınız) önemli ölçüde geliştirilmiş dinamikleri. Yine de, EAG ve TGS2620 (1 Hz karşı 10 Hz) arasında bir faktör on oldu. Bu karşılaştırma EAG olarak yine de nitel ve TGS2620 aynı koşullarda test değildi.

Sonra bizim tam böcek hazırlanması eksize antenleri (n = 7 antenleri) ile karşılaştırıldığında (n = 12 güveleri) zaman içinde stabilitesini değerlendirdik. EAG feromon stimülasyondan (süresi 500 ms, doz 1 ug) yanıt olarak periyodik olarak kaydedildi. (MV) Ham EAGs (başlangıç ​​değerinin yüzdesi süresi t = 0 zamanında elde edilmiştir) göreceli EAGs dönüştürüldü. Şekil 5, bizim bütün böcek-prep çok iyi kararlılık ŞekilBir iş günü içinde Preparasyonu. Sinyali sadece 1.5 saat sonra başlangıç ​​değerinin yarısına denk gelecek şekilde tersine, EAGs hızlı, zaman içinde izole antenleri azalma kaydedilir. Bu kez bağımlılık da 2 saatlik bir ömür boyu bir üslü tarafından açıklanmıştır.

Reaktif bir arama stratejisi (Şekil 6A) kullanılarak: Son olarak, bir koku kaynağı (Oac feromon bileşik Z7-12) aramak için EAG robotik plateform yeteneğini test. Arama stratejisi dumandan dalgalanma feromon tespitlerde 28 yokluğunda spiral döküm ile tespit edilir her zaman birleştirir. Adım 4.3 'de tarif edildiği gibi feromonun varlığı, neuromorphic detektör tarafından EAG ikinci tespit edilir. Arama sırasında kaydedilen EAG iki örneği, Şekil 6B 'de gösterilmiştir. Koku kaynağı olmadan, EAG çok az veya hiç tespitleri ile (yani 2.5 V) sıfır etrafında kalır. Robot spiral döküm gerçekleştirir ve genellikle arama alanı bef bırakırcevher hedef konuma ulaşan (denemelerin% 92, n = 26 denemeler, Şekil 6C sağ). Koku kaynağı (sol Şekil 6C) ile, EAG sessizlik dönemleri (hiçbir algılamalar) ile iç içe faaliyet (algılamaları) patlamaları sunuyor. Spiral döküm ağırlıklı tüy kontür (Şekil 6C, kırmızı çizgi sol) oluşur ve koku kaybolduğunda bulutun merkez taşındıktan için etkili bir strateji olabilir. Bu durumda, kaynak genel olarak (başarı oranı = 96%, n = 44 çalışma) bulunur.

Şekil 1
Şekil 1. Tüm-böcek EAG hazırlama ve robotik tertibat. A) elektroantenogram (EAG) bir bütün böcek hazırlanması (ayrıntılar için metne bakınız). B) kaydedilir hazırlanması soymak monte edilirot. , bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için buraya tıklayınız.

Şekil 2,
Şekil 2.. Donanım-yazılım arayüzü. Donanım A) Kartal şematik. Devre altı bölümden (ayrıntılar için metne bakınız) oluşur. Bu izin filtreleme (frekans bandı 0.1-500 Hz, 50 Hz çentik), yükseltme (toplam kazanç 250X) ve aralık 0-5 V. B sinyal klima) (üst kırmızı ve bakır hatları gösteren Kartal düzeni ayrık elemanları veri görselleştirme (kırmızı iz = EAG girdi, yeşil iz için Qt-C + + ile yazılmış. D) Grafik kullanıcı arayüzü (GUI) gösteren mavi alt) ve yeşil delikleri (). C) Baskılı devre kartı (PCB)= Nöron modeli çıktı), filtre tasarımı ve sinyal algılama. , bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için buraya tıklayınız.

Şekil 3,
EAG gelen Şekil 3.. Sinyal algılama. A) elektroantenogram (EAG) modeli. EAG üstel dürtü fonksiyonu ile bir 1. sıra düşük geçiş filtresi ardından statik nonlineerliğin oluşan bir doğrusal olmayan çağlayan 27 modellenmiştir Denklem 21 . EAG çıkışı ile evrişim integralince verilmiştir Denklem 22 . B) Mühendislik yaklaşımı. Dekonvolüsyon filter yazıyor Denklem 23 ve Denklem 24 Ayrıntılar için metne bakınız. Koku karşılaştığında (hits) ne zaman tespit edilir Denklem 12 Önceden tanımlanmış bir eşik. C) Bio-ilham yaklaşımı aşıyor. Beş iç akımları (kaçak, K +, Na +, Ca2 + ve SK) ile bir Hodgkin-Huxley tipi nöron modeli eksitasyon-inhibisyon (EI) gözlenen ateşleme desen üretmek için kullanılan deneysel 13 görülmektedir. Uyarılmasının bir patlama ateşleme aktivite inhibisyonu izlemektedir her girdi akım ve bulgular, tespit edildiği gibidir sinyal tespiti için, EAG sinyali kullanılır.

Şekil 4, < br /> Şekil 4. EAG tepki süresi. A) EAG farklı oranlarda (1, 2, 4, 6, 8, ve 10 darbe / sn) teslim 20 msan feromon darbeleri (doz 1 ug ve 10 ug) tepki olarak kayıtları. Normalize EAG güç spektrumu 1 ve 10 Hz (doz 1 ug ve 10 ug) darbeli bir uyarıcı için gösterilir. EAG etanol yanıt () konsantrasyonu dalgalanan gaz sensörü TGS2620 10 Hz. B) Kayıtlar bireysel darbeler kadar giderir. Kesik ve düz eğrileri ile ve kapak olmadan sensör yanıt vardır, sırasıyla. Kapağı ile sensör saniye onlarca bir tepki süresine sahip ve böylece gaz konsantrasyon dalgalanmaları takip edemez. Kapağı olmadan TGS2620 1 Hz kadar bireysel dalgalanmaları giderir. , bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için buraya tıklayınız.

hep "> Şekil 5,
Şekil 5,. EAG stabilite (kesilmiş anten vs bütün böcek hazırlanması). EAG eksize antenleri (n = 7 antenleri) 3.2 saat süresince, bütün böcek-(N = 12 güveleri) ve her 20 dakika boyunca 8 saat boyunca her saat başı kaydedilmiştir. Şekil nispi EAGs (t = 0 zamanında elde edilen, başlangıç ​​değerinin yüzdesi) göstermektedir. Eksize antenleri için zaman bağımlılığı da 2 saat (1.5 saat yarı ömrü) bir ömür boyu bir üslü tarafından monte edilir.

Şekil 6,
Şekil 6.. Robotik deneyler. A) dalgalanma-döküm stratejisi içinde rüzgâra karşı dalgalanma birleştirironun yokluğunda spiral döküm ile koku varlığı robot koku olmadan (n (n = 44 deneme) koku) ve koku olmadan (. C) Robot yörüngeleri hareket ve sırasında arama sırasında kaydedilen 28. B) Tipik EAG = 26 denemeler). Kırmızı kesikli çizgi tüm algılamaların 90% denemeleri sırasında meydana gelen bulutun kontur temsil eder. Deney koşulları: arama alanı = 4 mx 2.5 m, robotun hızı = 5.6 cm / sn, hedef feromon = 10 ug bir kağıt filtre üzerinde biriken ve her 2 denemeler yerine, hedeften robot ilk konumu = 2 m, rüzgar hızı = 0.9 ± Hedef bölgede 0.2 m / sn. , bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için buraya tıklayınız.

Discussion

Neredeyse yirmi yıl önce, Kanzaki ve arkadaşları koku robotlar 29-30 EAGs kullanma fikrine öncülük. Onların tekniği aslında eksize antenleri dayanmaktadır. Burada, preparasyon hassasiyetini ve ömrünü artırmak için sağlam antenlerden kaydedildi. Diğer çalışmalar da 31-32 izole antenleri üzerinde tüm vücut hazırlıkları üstünlüğünü fark ettim. Bizim robot deneylerde, biz bir gün içinde istikrarlı kayıtları yaşadı. Bunun aksine, EAGs 2 saatlik bir kullanım süresi (Şekil 5) sahip izole edilmiş anten üzerine kaydedilir.

Bizim EAG-robot platformu öncelikle böceklerin 13 koku kodlama ve arama stratejileri hakkında biyolojik hipotezleri test etmek için geliştirilmiştir. Böcek antenleri girdi almak merkezi nöronlara benzer, biz bir robot gerçek bir güve antene bir nöron modeli bağlı ve ateşleme desen dayalı feromon tespiti yapıldı. Algılama ve non-algılama olaylardıDaha sonra feromonun kaynağına doğru robotu tahrik etmek için kullanılabilir. Burada düşünülen reaktif arama stratejisi bir seks feromon çekti erkek kelebeklerin davranış kalıpları esinlenilmiştir. Bu, 2 m bir kaynaktan düşük bir emisyon kaynağı nispeten büyük bir ara alanı (başlangıç ​​mesafesi de (önceki çalışmaları 24, 10 mg karşılık eden durumda 10 ug feromon doz) lokalizasyonu sağlayan, laboratuar koşullarında (Şekil 6) iyi performans önceki deneylerde 20-21) 10 cm'den karşı.

Bu robot deneyler böcek antenleri robotik koku aramalar için uygun olduğunu gösteren bir kavram bir kanıtı olarak kabul edilmelidir. Böcek antenleri zehirli gazlar, uyuşturucu ve patlayıcı 9-11 yanıt bilinmesine rağmen, çeşitli uzantıları gerçek dünya uygulamaları ile başa çıkmak için ihtiyaç vardır. İlk olarak, daha sofistike bir arama yöntemi 34-36, 10 metre ötesindeki uzaklıklarda yeniden kazanılması zaman daha verimli olabilirbulutun çok olası hale gelir. İkinci olarak, ilgi koku tespit etmek için bir biyo-elektronik burun konfigürasyonda 14 farklı türlerden EAGs birleştirmek için gerekli olabilir. Üçüncü olarak, aynı böceğin iki antenlerden kaydedilerek elde stereo algılama yetenekleri etkinliği açısından yararlı olabilir. Paralel çalışan iki sensör gerçekten yönünü artabilir. Dördüncü olarak, toplu robotik aramalarda 37 arama stratejisinin uzantıları onlar kelebeklerin durumunda biyolojik ilgili olmasa bile pratik uygulamalar için dikkat edilmesi gerektiğini vardır.

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).
Koku Aramalar için Otonom Robotlar Böcek elektroantenogram Sensörleri kullanarak
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