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Neuroscience

昆虫制御のロボット:移動ロボットプラットフォーム昆虫の匂い追跡能力を評価します

doi: 10.3791/54802 Published: December 19, 2016

Summary

臭気源を局在化する能力は、昆虫の生存のために必要であり、人工的な匂いトラッキングに適用可能であることが期待されています。昆虫制御のロボットは、実際のカイコガによって駆動され、ロボットプラットフォームを通して昆虫の匂い追跡能力を評価することを可能にされています。

Protocol

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1.実験動物

  1. その羽化まで男性silkmoths( カイコ )の蛹を維持するためにプラスチックの箱を用意します。ボックス( 図1A)の内壁の周りに段ボールの底部との作品で紙タオルを置きます。
    注:羽化( 図1A)の間に彼らの翼を拡張しながら大人の蛾は、保持するために段ボールのピースが必要です。
  2. ボックス内の男性カイコガ( カイコMORⅰ)蛹を入れて、16時間の下で羽化するまでインキュベータに保管してください:8時間の明:暗サイクルを25℃で。
    注:男性と女性の蛹は、腹部( 図1B)上のセックスマーキングによって判別することができます。
  3. 羽化後に成人男性の蛾を収集し、新しいボックスに移動します。
  4. 8時間の光:16時間の下インキュベーター内大人の蛾を保つ暗サイクルと実験の前に、それらの活性を低下させるために15℃まで温度を下げます。

2.カイコガをテザリング

  1. テザリングのためのアタッチメント( 図2A)の作製
    注:添付ファイルは、その先端に薄いプラスチックシートのストリップと銅線で構成されています。これは、( 図2B)を歩行中に胸部の背腹運動を保証します。
    1. 、薄いプラスチックシートのストリップを準備し、2×40ミリメートル(厚さ:0.1ミリメートル)、および途中でそれを折ります。
    2. 接着剤で銅線の先端に折り畳まれたストリップを取り付けます。
    3. カイコガの胸部が装着されている折り畳まれたストリップの先端を曲げます。
  2. 実験用の光期間中(2-8日齢)大人の蛾を使用してください。
    注:フェロモンに対する感度が強く概日時計18に依存します。 カイコは昼行性の蛾であるため、実験は光期間中に実行されなければなりません。
  3. ゆっくりDOR上のすべてのスケールを除去ウェットティッシュ(または綿棒)の一部を使用して、SAL胸郭(mesonotum)とmesonotum( 図2C)のキューティクルを公開します。
  4. 小型のマイナスドライバで添付ファイルにあるプラスチックのストリップ上に露出mesonotumの表面に接着剤を貼り付け、接着剤がもはや粘着性になるまで5〜10分待ちません。
    注:接着剤が翼ヒンジや前翅のtegulaの複数形( 図2C)に触れないようにしてください。
  5. 添付ファイルへのmesonotumを接着。
  6. ロボットのコックピットの内側にそれを置く前につなが蛾を保管してください。スタンドに添付ファイルを持ち、蛾を休むように足の下に一枚の紙を置きます。

3.昆虫制御のロボット

  1. 前の作品16,17,19に基づいて、昆虫制御のロボットのハードウェアを設計します。
    注:昆虫制御のロボットがCAPTURする光学式マウスのセンサーで空気サポートトレッドミルで構成されていE昆虫移動、処理、モータ制御用の特注のAVRベースのマイクロコントローラボード、2つのDCブラシレスモータ( 図3及び4)。ロボットは、200ミリ秒の遅延時間以内に、96%の精度以上でボールの回転に基づいて実行することができます。また、フェロモン追跡動作16の間にカイコガの最大前進速度の移動度(24.8ミリメートル/秒)と角速度(96.3°/ sec)を保証します。車載蛾ボールにスムーズに歩くし、2つのアンテナによって臭いを取得するためにトレッドミル( 図5A)及び臭気送達システム( 図5B)の空気の流れを設計されています。トレッドミルの吸気フローチャネルがフェロモンの汚染を回避するために、臭気デリバリーシステムのものから分離されています。
  2. 前の作品16に基づいて、オンボードのマイクロコントローラ用のソフトウェアを設計します。
    注意:オンボードのマイクロコントローラは、トンを算出し、彼光学センサで測定した昆虫の歩行からロボットの動き(回転、ΔはX;翻訳、ΔY; 図6)。このようなΔL =(ASΔ;走行距離(ΔL)とロボットの単位時間当たりの角度(Δθ)を回し、各車輪の走行距離に基づいて計算される(右、ΔL R、ΔLが L) Lの L +ΔL R)/ 2、Δθ=(ΔL L - D・ ホイールは、2車輪(120ミリメートル)との間の距離であり、ΔL R)/ D・ ホイール 、。 ΔL LΔL Rは、さらにΔL L =Δの長さ x、L +ΔのL y 、L及びΔL、R 、ΔLの X、R +ΔL yを=、Δ長さ ×R、L <として記載されています/サブ>とΔの長さ x、Rは Δxによって制御さ左右の車輪の移動距離、及びΔL y 、L、ΔL y、Rは、Δyで制御されるものです。理想的には、ΔLの X、L、ΔL X、Rは Δの長さ x、L =-Δの長さ x、R = X(D ホイール / D ボール )として記載されており、ΔL y 、L及びΔL yの、Rは、G は、モータゲインとD ボールボール(50 mm)の直径であるΔL y 、L =ΔLが Y、R = GΔyを、として記載されています。実際には、モータの利得は独立ロボットの運動を較正するように、それぞれの側(左または右車輪)によって、各方向(順方向または逆方向の回転)によって設定されます。独立した利益は、さらにを可能にロボットの旋回バイアスを生成する非対称モータ回転の設定(ステップ6.1参照)。
  3. 白い発泡スチロールのボールの表面を洗浄(質量:約2グラム、直径:50ミリメートル)の任意の可能な嗅覚や視覚的な手がかりを除去するために水で。
    注:新しいボールの表面は、ボール上の脚のグリップを確保P400、として、目の細かいサンドペーパーで粗面化しなければなりません。
  4. トレッドミルに9 Vで空気を供給し図5A)ボールを浮遊する送風ファンをオンにします。カップの底からボールフロート約2ミリメートルを守ってください。
  5. ネジを使用して、蛾の添付ファイルの銅線を接続します図3挿入図を参照)ロボットのコックピット内の固定具に(ステップ2を参照)。真ん中の足の位置がボールの中心( 図7A)であることを確認します。
  6. Bに正常に歩くこと蛾を有効にするには、添付ファイルの垂直位置を調整しますすべて。前と蛾( 図7B)を取り付けた後に同じ高さにボールをキープ。
    注意:添付ファイルの低過ぎる位置が原因の垂直位置の変化に蛾に圧力を追加し、高すぎる位置が不安定な歩行とセンサーの故障の原因となるのに対し、圧力( 図7C)を抵抗する後方歩行を引き出しますボール( 図7D)。通常の歩行動作を確認するには、シングル・パフフェロモン刺激は蛾の中を歩いてトリガするために使用されている(フェロモン刺激のために、ステップ4を参照してください)。ボンビコールへの以前の暴露がsilkmothsをhabituatesとその感度(松山と神崎、未発表データ)を減少させるため、テスト刺激は最小限でなければならないことに注意してください。

4.臭気ソース準備

注:(:(E、Z)-10,12-hexadecadien -1-オールボンビコール)男性カイコは同種の雌性フェロモンの主成分に敏感です

  1. ろ紙(約10ミリメートル×10ミリメートル)の一片にn-ヘキサン(200 ngの/μL)に溶解したボンビコール溶液10μlをドロップします。ろ紙の個あたりボンビコールの量は2000 ngのです。
    注:、蛾の正常な歩行動作をチェックするには、このステップでフェロモン刺激カートリッジを準備します。カートリッジは、フィルター紙の一枚はボンビコールの2,000 ngのを含有するガラスパスツールピペットです。電球を押すとボンビコールを含む空気をパフ。

5.臭気源位置推定実験

  1. プルエア型風洞のファン(1800×900×300ミリメートル、L×W×H; 図8)をオンにして、0.7メートル/秒の風速を設定します。温度を超える20℃であることを確認してください。
  2. 臭気源を設定した(p風洞の上流ボンビコールを含むろ紙のIECE)。
    注:プルームの幅は、TiCl 417,19を使用することにより、実験前に確認する必要があります。
  3. ロボットのマイコン基板の電源をオンにし、Bluetooth経由でPCへのシリアル接続を確立します。
  4. PCとロボットとの間のインターフェースを提供する「生体情報統合」と呼ばれるカスタムメイドのJavaプログラムを起動します。
    注:メインウィンドウには、パラメータを設定するには、ロボットにコマンドを送信するためのボタン、シリアル通信の入力と出力を表示するテキストウィンドウ、小さなボックスが含まれています。後続のコマンドは、ビデオキャプチャを除いて、このプログラムに対応するボタンをクリックすると送信されます。
  5. 指定されたCOMポートを介してロボットにコマンドを送信して接続を確認し、メッセージがロボットによって返されることを確認し、「デバイスについて」ボタンをクリックします。
  6. 「メモをクリックします。RY消去」ボタンは、オンボードフラッシュメモリ上に残った前の歩行データを消去します。
  7. ロボットにデフォルトのモーターの利益を送信するために「drivemode1」ボタンをクリックします。
    注意:モーターの利益および昆虫歩行とロボットの動きの間の時間遅延の操作は、このステップの後に適用されている( 図9、ステップ6.1および6.3を参照)。
  8. 実験が開始されるまでロボットを固定化するためにコマンドを送信するために、「運転しない」ボタンをクリックします。
  9. 開始位置(臭気源から下流の600ミリメートル)でロボットを入れて、モータドライバボードのスイッチをONにしてください。
  10. ビデオキャプチャを開始するには、ビデオカメラの録画ボタンを押してください。
  11. オンボードフラッシュメモリ上のボールの回転の同時記録でロボットを開始するためにスタートコマンドを送信するために「RECスタート」ボタンをクリックします。ロボットが移動を開始し、臭気プルームを追跡していることを確認します。
  12. クリックします。「RECストップ」とは、ロボットが臭気源を局在化する場合は、ロボットの動きと記録の両方を停止するためのコマンドを送信するためのボタンが「運転しません」。
  13. ビデオキャプチャを停止するには、ビデオカメラの録画ボタンを押してください。
  14. ダウンロードは、シリアル接続を介してコンピュータにオンボードフラッシュメモリから歩行データを記録しました。プログラムを終了します。

昆虫制御ロボットの6マニピュレーション

注:各操作のタイミングは、 図9に示されています。

  1. モータ利益の操作
    注意:この操作は、ロボットの並進および回転速度を変化させます。非対称モータ利益は、昆虫、バイアス17を補償する方法を調査するために使用することができる回転バイアスを生成します。
    1. 目を編集して、各側面17に、モータ( 図6B)の前方と後方回転する回転利益を定義します電子構成ファイルは、テキストエディタを使用して「param2.txt」と命名します。
    2. ソフトウェアプログラムで編集した設定ファイルを読み込むには、「設定PARAM2」をクリックします。そして、ロボットに操作利益を送信するために「drivemode2」をクリックしてください。
  2. モータ出力の反転
    注:この操作は、二国間嗅覚入力の反転と類似の条件を提供する(ステップ6.4参照)および両側嗅覚の重要性を調査するために使用することができます。しかし、モータ出力の反転はまた、オンボード蛾の自己誘導視覚運動を反転させます。反転自己誘導視覚入力の影響が反転嗅覚入力19と比較して評価することができます。
    1. 各モータのための制御ケーブルを交配することにより、二国間のモータ制御を反転。
  3. 昆虫歩行ロボットの動きとの間の時間遅延の操作。
    注:この操作ロボット臭気追跡のための感覚運動処理に費やされた時間の許容可能な期間の調査を可能にします。マイクロコントローラは、バッファメモリ上の移動データを格納した後、指定された時間遅延の後にそれを処理します。ロボットは200ミリ秒の最大内部時間遅延を持っていることに注意してください。従って、実際の時間遅延は、指定された時間遅延と200ミリ秒16,17であることが期待されます。
    1. メインウィンドウの小さなボックスに入力(0〜10)の数は、100ミリ秒のステップで0〜1,000ミリ秒から時間遅延を指定します。
    2. 時間遅延を適用するために「設定された遅延」ボタンをクリックします。
  4. 嗅覚入力の操作。
    注:この操作は、二国間嗅覚入力の有意性を調べるために使用することができます。 silkmothsのサージ方向が高濃度側22に付勢されています。
    1. 吸引チューブの先端との間のギャップを変更するか、または変更するためにそれらの位置を反転各アンテナで取得した臭気濃度の差。
  5. 視覚入力の操作
    注:この操作は臭気追跡のための視覚入力の役割を調査することです。
    1. それぞれ、オンボード蛾の水平方向と垂直方向の視野の105°と90°を吸蔵ホワイトペーパーでキャノピーをカバーしています。

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Representative Results

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ここでは臭気源の成功ローカライズするために必要な昆虫制御ロボットの基本的な特性を提示します。ロボットとsilkmoths、臭気デリバリーシステムの有効性、および正確なバイラテラル嗅覚および視覚インプットの重要性との間の比較を検討しています。

自由に歩行蛾や昆虫制御のロボットと臭気トラッキングビヘイビアの比較を図10AおよびBに示されています。同じ匂いの状況下では、歩行蛾とロボットの両方が100%の成功率(;ロボット、N = 7蛾で7件の試験を歩い蛾、N = 10蛾によって10試行)を獲得しました。ロボットが歩行蛾のものに比べてより広範な軌道を示したものの、時間に有意差はP(歩行蛾とロボットの間のローカライズにありませんでした2; 0.05、Wilcoxonの順位和検定;蛾、中央値= 46.5秒、IQR = 36.7、69.6;ロボット、中央値= 48.1秒、IQR = 44.9、61.9)。

臭気デリバリーシステム( 図5B)床上90ミリメートルに配置され、オンボードの蛾の触角に床面近くに、付臭剤の流れを供給するために必要です。このシステム(吸引チューブ、ファン、およびキャノピー)がなければ、ロボットは臭気源に向いて、それが停止するまで旋回し続けたことができませんでした(N = 5蛾によって全10試験では、 図10C、失敗しました)。プログラムされたカイコガの行動によると、連続周回はカイコガの向き21,22の間にフェロモンに連絡することを失敗したときの典型的な動作です。

図11は、ロボットの操作を実証する代表的な結果を示しています。臭気追跡のための二国間の嗅覚入力の有効性はevaluatましたチューブ先端(ステップ6.4)の位置を変更することにより、モータ出力(ステップ6.2)を反転させることにより編狭い隙間、20ミリメートル、N = 10蛾10件の試験;左右のチューブの間に2つの異なるギャップ(ワイドギャップ[制御]、90ミリメートル、N = 10蛾で10件の試験で100%のロボット達成成功率。 11A、B)、およびこれらの2つのチューブの位置(P> 0.05、鋼の試験の間に局在する時間に有意差はなかった; 図11E)。 (一方、チューブ先端の反転が(各アンテナは、反対側から= 90 mmの管ギャップ付臭剤を受け)横風方向軌道を拡大し、わずかに有意な差はなかったが、ローカライズまでの時間の中央値の増加しましたP> 0.05、スチールのテスト; 11C、E)。モータ出力の反転が反転olfactoとして似たような状況を提供しますRY入力。さらに、それはまた、オンボード蛾によって受信された自己誘導視覚動作を反転させます。そのため、反転負の視覚的なフィードバック( すなわち、正のフィードバック)の、ロボットがあっても大幅にローカライズまでの時間を長く臭気プルーム( 図11D)、で、旋回続けた(P <0.01、スチールのテスト; 図11E)。反転嗅覚入力(C)および反転モータ出力(D)の成功率はそれぞれ80%(N = 10蛾によって10試行)と90.9パーセント(11蛾による11件の試験)でした。 silkmothsにおける感覚運動制御の詳細な議論は前作19に記載されています。

図1
カイコガの蛹の1.保管図。 (A)男性蛹をプラスチック箱(左)に格納されています。大人の蛾は、Bの内壁の周りに段ボールを開催します羽化中の牛(右)。蛹の(B)セックスマーキング。各矢印は、女性の第八腹節の腹側に微細な、縦のラインで男性と「X」マークの第九腹節の腹側に小さなスポットを示しています。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図2
図2.カイコガをテザリング。カイコガを係留するためのアタッチメントの(A)の作製。 3ステップは、(本文参照)2.1.3に2.1.1に記載されています。薄いプラスチックシートの二重のストリップが背腹の動きを吸収する銅線の先端に取り付けた歩行時mesonotumの( 図2B参照)。ワイヤーの他、湾曲した先端がhandliのためでありますngの。 (B)追跡フェロモン中のカイコガの上位と下位姿勢(大腿骨と前足[矢印]の脛骨との間の角度を参照してください)。 (C)(矢印で示される)mesonotum上のスケールの除去。左と右の画像は、それぞれ、前後スケールの除去を示します。前翅のtegulaの複数形は、(破線で囲まれた)は無傷でした。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図3
図3.ロボット昆虫制御します。挿入図は、コックピットの拡大図を示しています。 (1)トレッドミル上に係留カイコガを(空気支持ボール、挿入図を参照)、撮影するための蛾に香りを供給するため(2)2つのファン(空気速度は0.5メートル/秒)、(3)吸引チューブ臭い、(4)DCモータとWHEELS、(5)マイクロコントローラボード、ボールに空気を供給するための(6)吸気、(7)トラッキングマーカーオフラインビデオの解析、(8)2つのLED(9、コックピット(280ルクス)に一定の照明を維持します)カイコガ、及び(10)アタッチメントの固定具を係留するためのアタッチメント。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図4
4.ハードウェア図を図。トレッドミルの空気支持ボールの回転を1.5キロヘルツのサンプリングレートで0.254ミリの分解能を有する光学マウスセンサで測定しました。マイクロコントローラは、センサ出力からカイコガの軌道を計算し、左右に2つのDCモータを制御します。モータは、位置フィードバックで、1 kHzでパルス幅変調によるものでした内蔵のホールセンサから。光センサの出力( すなわち、オンボード蛾の動作)は、5ヘルツのサンプリングレートでオンボードのフラッシュメモリ(8メガビット)に保存しました。これらのデータは、ロボットの動きを有する車載蛾の挙動を比較するために使用しました。コンピュータ(PC)とロボットとの間の無線通信にのみ開始および停止ロボット、またはロボットの運動特性を操作するためのコマンドを送信するために使用されたブルートゥースを介して達成されました。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図5
トレッドミルや臭気送達系を5エアフロー設計図。 (A)トレッドミルのボールをサポートするためのエアフロー。空気は、送風機faでコクピットの背後にある空気取り入れ口から取りましたnは、それは、チャネルを通って流れ、カスタムメイドのFRPカップ(挿入図)に小さな穴(1 mmの直径)から吹きました。赤枠で囲まれたカップの上面図を挿入図に示されています。赤の矢印は空気の流れを示しています。白い矢印、LEDトランスミッタと光学センサと、そして黒い矢印、小さな穴付きカップ。 (B)臭気送達システムのエアフロー。フェロモンを含む空気は、それぞれの側に柔軟なポリエチレンチューブの先端から吸引キャノピー内のパーティションで区切られ、同側のアンテナに配信されました。それぞれの側に気流が赤や青の矢印で示されています。この図は、安藤と神崎19から変更されています。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図6
昆虫歩行からロボットの動きの6計算図。 (A)ロボット(ΔL)とホイールの動きの概略図は(、ΔLLと右、ΔL Rを左)。 Δθは、ロボットの角度を回します。計算のための(B)パラメータ。 ΔxΔyはボールの回転や並進運動を表す(正の値は時計回りまたは前方方向を示しています)。 D ボール 、ボールの直径; D ホイール 、ホイール間の距離。 G FW、LおよびG BW、L、フォワード(FW)または左車輪(L)の後方(BW)の回転運動利益; G FW、RG BW、R、右車輪(R)の前方または後方回転のモーターゲイン。 彼女をクリックしてくださいeは、この図の拡大版を表示します。

図7
トレッドミル上の係留蛾の位置の7調整図。 (A)ボールに係留さ蛾の側面図。真ん中の足がボール(黒矢印)の上部に配置する必要があります。 (B)蛾の適切な垂直位置。蛾の背後にある光センサは、ボールの中心を向いています。 (左側から見て)通常の前方歩行ボールを時計回りに回転します。 (C)垂直位置が低すぎる(下向き矢印)です。カイコガの圧力に抵抗するために前足を拡張し、後方(反時計方向回転)ボールを回転させます。 (D)垂直位置(上向き矢印)が高すぎます。蛾はボールを保持し、それを持ち上げます。蛾が前方に実行することができますが、この状況23の中を歩いこの図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図8
8.風洞図。空気がメッシュパネル(赤い矢印)でろ過しました。その後、900(W)×ミリカムコーダ、1,500(L)の記録領域に入りました。臭気源は、記録領域の上流側に配置し、フェロモン汚染された空気は、ファン(青い矢印)によって外部に排出されました。風洞は、押出法ポリスチレンフォームで作られました。天井は透明なアクリルシートで、床は、ロボットの車輪のスリップを回避するためのゴム製マットでした。臭気源W横風位置とメッシュパネルから風下250ミリメートルの中心に配置されるよう。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図9
プロトコルにおけるロボットの操作の9.タイミング図。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図10
図10.臭気音源定位テスト。 安藤 17からのデータ; N = 10蛾で10件の試験A)、昆虫制御されるロボット(各パネルはsilkmothsの軌跡を示しています(CなしN = 7蛾)、およびロボットで7件の試験; N = 5蛾によって10試行)。蛾やロボットは、臭気源(十字マーク、ボンビコールの2000 ngのを含むろ紙)から風下600ミリメートル(矢じり)を開始しました。ローカライズに要する最短または最長時間を有する試験は、それぞれ、赤と青の線として示されています。他の成功した試験では、灰色で表示され、失敗した試験は緑色です。円はローカリゼーションの成功を判断するためのゴールエリアを示しています。目標領域の半径は、オンボード蛾及び臭気源17との間の最短距離に相当するロボットの大きさに基づいて規定しました。矢印は風向(風速:0.7メートル/秒)を示し、線はフェロモンプルームの境界を示す点線。 拡大表示するにはここをクリックしてください。この図のバージョン。

図11
11.嗅覚入力の操作とモータ出力図。 、狭い隙間(B;(N = 10蛾によってすべての10試行で成功した制御、90ミリメートル);各パネルは、ワイドチューブギャップを有するロボット(オンボード蛾の位置)の成功の軌跡を示している20ミリメートルを)8〜10の試験で成功し、N = 10蛾、および反転モータ出力とワイドチューブギャップ(D;反転ワイドチューブギャップ(C)N = 10蛾によって全10試験で、成功することに成功11試験では、N = 11蛾の10)。ボンビコールの2000 ngのを含むろ紙を通して繰り返し空気パフは、十字マークから解放されました。ロボットとグレーと白の矢印は、二国間の嗅覚入力とモトの方向を示していますrを出力。他の実験条件と図の説明は、 図10と同じです。 4つの条件(AD)の下でロボットの局在化(E)時間。個々のデータは、ボックスプロットにまとめられています。ボックスの左右両側には、第一および第三の四分位数を示し、バーは中央値を表します。ウィスカーは1.5×四分位範囲を示しています。アスタリスクは、スチールのテスト(** P <0.01)によれば、制御データ(A)からの有意差を示しています。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

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Discussion

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カイコガによってロボットの制御の成功のための最も重要な点は蛾が空気でサポートされているボールにスムーズに歩くせると安定したボールの回転を測定しています。したがって、カイコガをテザリングして、適切な位置にボールにマウントすることは、このプロトコルで重要なステップです。添付ファイルまたはボールに蛾の不適切なポジショニングに蛾の不適切な密着性は通常の歩行動作を摂動および/またはボールの回転を測定するための光センサの故障を引き起こし、その上に不自然な圧力を引き起こします。ポリスチレン球を粗くするスリップ蛾を防止することも重要です。刺激とその後のロボットの動きを臭気に応答して係留蛾の運動は慎重に前臭気トラッキング試験(ステップ3.6を参照)にチェックする必要があります。

それはほとんどを提供するトレッドミルの曲率を、低下するため、より大きなボールの使用が優れています昆虫の足のための平坦面。ここで使用される50 mmの直径のボールがsilkmothsため、従来のトレッドミルの設定で使用されるものに比べて比較的小さい(直径75 mm)の24。ボールの慣性がロボットの動きの間に無視できないので、しかし、より大きな(重い)ボールは、注意して使用する必要があります。オンボードの蛾はその足によってロボットの動きの間にボールの慣性力によって誘発される回転を抑制することができない場合は、ロボットは蛾によるいかなる歩行せずに連続して振動します。実験者は、他の昆虫種を使用することを考えると、したがって、ボールのサイズは、その脚グリップの強度、ならびにそれらのサイズに基づいて選択されるべきです。臭気源定位の間に、実験者はまた、蛾-かどうか、オンボード蛾はボールにスムーズに歩くと、ロボットはすぐに蛾が移動するように応答の動作を確認する必要があります。それは添付ファイル(あまりにも低い位置からあまりにも多くの圧力を受けたときにカイコガが後方歩行を示し、参照してください。 図5(b))の前にパーティションとして(オブジェクトに触れる場合は前足の反復的な動き。昆虫の歩行へのロボットの悪い応答性は不適切なボールの位置やバッテリーの枯渇(約30分間、最後の電池)によるものです。

昆虫制御されるロボットの制限は、オンボードの蛾は間違いなく不自然な状況下に位置していることです。トレッドミル、臭気デリバリーシステム、およびコックピットの90 mmの高さは自由に歩行蛾が取得したものとは異なる感覚情報(機械刺激、嗅覚、および視覚的)を提供します。私たちは自由に歩行silkmothsのものと昆虫制御されるロボットの行動を比較した場合、これらの違いは明らかになりました。例えば、臭気源定位のための同じ性能がロボットと自由に歩行silkmoths、Rの軌道の間で観察されたが彼らはプルームの幅( 10A、B)の減少に応じて、臭気源に到達したとしてobotが自由に歩行silkmothsのものに対し、横風方向に沿って疎た収束しました。この違いは、単にロボットと蛾の異なるサイズによるものです。具体的には、オンボードの蛾とチューブの先端との間の距離は、臭気物質を探索するための範囲を決定します。したがって、より大きな距離(ロボット:100ミリメートル;蛾:アンテナ先端に胸部から約10ミリメートル)があってもプルーム外でアクティブにするためにロボットを有効にします。また、キャノピー内の蛾は、外部環境からの風の方向を受け取ることができません。臭気トラッキング用の風向の重要性はまだsilkmoths 22で決定されていないが、流れの方向の使用は、他の生物5,6-における臭気追跡のための基本的な戦略です。なぜなら臭気デリバリーシステムによって生成課さ気流の、それも困難ですこのような空気の流れを生成し、silkmoths 25に臭気受信を容易に翼羽ばたきの効果として、「アクティブセンシング」を考慮すること。実験者は、複数のモダリティの使用を探求するために、この技術を採用した場合にこれらの制限のために、これらのロボット実験によって得られた結果は自然条件19で無傷の昆虫にも適用することができるかどうかを議論する必要があります。

昆虫制御のロボットは、昆虫の臭気追跡能力を評価するための3つの要件を満たし:1)昆虫モーターの直接インタフェースは、実際の臭気プルーム中、2)テストコントロールをロボットにコマンド、および3)昆虫のの操作を可能にします感覚運動システム。まず、昆虫、ロボット、ロボットを制御する神経信号の使用との間のインターフェースについて、脳マシンインターフェース26のような代替技術です。昆虫上のいくつかの研究は、共同のための神経信号または電図を使用しますロボットとクローズドフィードバックのntrolは27-30をループします。しかし、このアプローチは、神経科学における重要かつ継続的な研究課題である、意味のある運動指令を抽出するために、神経信号の復号化を必要とします。そのため、ロボット制御のための昆虫の実際の歩行動作の使用は、ロボットに昆虫の運動指令をインタフェースする直接的かつ簡単な方法です。第二に、ロボットの動作する環境に関しては、仮想現実の使用は、代替13,31-33であろう。バーチャルリアリティは、より制御された状況下で行動実験を実施することを可能にし、空気サポートトレッドミルは、視覚的な状況24,34-36の動物の移動運動と世代を追跡するために使用されてきたビジョンの研究で最も成功しています。それは、正確な流量制御を必要とするためしかし、嗅覚情報のフィードバックループを閉じることは技術的に困難です。光遺伝学の適用は、嗅覚受容体nを活性化させるが、eurons 37-40は嗅覚でバーチャルリアリティの限界を克服し、実際の臭気プルームにおける移動ロボットの使用は、本で嗅覚閉ループを確立するための信頼性の高い方法であろう。最後に、昆虫の感覚運動系の操作については、代替的なアプローチは、昆虫の外科的操作( すなわち、感覚器官または付属41を切断またはカバーする)であろう。しかし、私たちのロボット操作(ステップ6および図11)は 、ロボットプラットフォーム19を操作することによって達成昆虫の感覚運動システムを変更するための非侵襲的かつ可逆的な方法であり、ロボットの各種パラメータの制御性が可能に私たちは、さまざまな状況下でその性能をテストします。

昆虫制御のロボットは、将来のアプリケーションのための2つの主要な方向性を持っています。第1の方向がエンジニアリングのためのものです。昆虫感覚運動システムによって制御自律型ロボット、私のようなnsect制御のロボットが簡略化さBraitenberg車42から大規模ニューラルネットワークに至るまで、生物学的モデルを用いて実装移動ロボットのための基準となります。昆虫制御のロボットはまた、カメラの実装と衝突のない臭気追跡アルゴリズムを探求する衝突回避のためのアルゴリズムなどの昆虫臭追跡、と他のモダリティの可能な組み合わせをテストするのに便利なプラットフォームとなります。また、ロボットの特性の微調整は、より良好な無傷の昆虫より臭気トラッキング性能を向上させることができます。我々は、ターゲット材料に特徴的な化学物質に反応するトランスジェニックsilkmoths 43を模倣している場合昆虫能力のような翻訳は、有害物質を見つけるために、このロボット自身の実用化につながる可能性があります。一方、昆虫制御のロボットも重要な問題を提起します:どのように我々はdiffeを越えて延びるロボットアプリケーションのためのバイオミメティックアルゴリズムを使用する必要があります昆虫とロボットの間rence?例えば、昆虫嗅覚受容体は、昆虫嗅覚処理や匂い源定位を担当して臭気濃度44-46、高速時間的ダイナミクスを獲得する優れた能力を持っていますが、はるかに従来のガスセンサー4,29の能力を超えています、 47。どのようにも今後の方向性として検討されるべきであるロボットの知覚能力を満たすためにバイオミメティックアルゴリズムを変更します。他の主要な方向は、生物学のための間違いです。昆虫制御ロボットは閉ループ実験プラットフォームとみなすことができます。また、ロボット操作は、昆虫の感覚運動の関係を変更するための非侵襲的な方法は、さらに小さな昆虫の脳は、回答学び、新しい環境に適応することができる方法を調査するために適用されます。

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
Male adult silkmoth (Bombyx mori) Rear from eggs, or purchase as pupae.
Incubator Panasonic MIR-254 Store pupae or adult silkmoths at a constant temperature, 238 L.
Plastic box Sunplatec O-3 Store pupae or adult silkmoths, 299 × 224 × 62 mm L × W × H.
Copper wire 2-mm diameter for the attachment. Any rigid bar can be used as an alternative for making the attachment to tether a silkmoth. 
Plastic sheet Kokuyo VF-1420N Sold as overhead projector film with thickness of 0.1 mm. Use at the tip of the attachment.
Forceps As one 5SA Remove scales on the thorax.
Adhesive Konishi G17 Bond a silkmoth to the attachment.
Insect-controlled robot Custom Bearing an air-supported treadmill, an optical sensor, custom-built AVR-based microcontroller boards, and two DC brushless motors. It is powered by 8 × AA and 3 × 006P batteries.
Microcontroller Atmel ATMEGA8 A component of the insect-controlled robot.
DC blower Nidec A34342-55 A component of the insect-controlled robot for floating a ball in an air-supported treadmill. 
DC fan Minebea 1606KL-04W-B50 A component of the insect-controlled robot for suctioning air containing an odor.
Optical mouse sensor Agilent technologies HDNS-2000 A component of the insect-controlled robot, obtained from an optical mouse (M-GUWSRSV, Elecom, Japan).
Brushless motor Maxon EC-45 A component of the insect-controlled robot for driving a wheel.
White polystyrene ball A component of the insect-controlled robot. Diameter 50 mm, mass approximately 2 g.
Bombykol:
(E,Z)-10,12-hexadecadien-1-ol
Shin-Etsu chemical Custom synthesis.
n-hexane Wako 085-00416 Solvent for bombykol.
Wind tunnel Custom Pulling-air type, sized 1,800 × 900 × 300 mm L × W × H.
BioSignal program Custom A program to establish serial communication between the insect-controlled robot and a PC via Bluetooth. Used for sending commands to start/stop the robot or configuring its motor properties. 
Camcorder Sony HDR-XR520V Capture robot movements.

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昆虫制御のロボット:移動ロボットプラットフォーム昆虫の匂い追跡能力を評価します
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Ando, N., Emoto, S., Kanzaki, R. Insect-controlled Robot: A Mobile Robot Platform to Evaluate the Odor-tracking Capability of an Insect. J. Vis. Exp. (118), e54802, doi:10.3791/54802 (2016).More

Ando, N., Emoto, S., Kanzaki, R. Insect-controlled Robot: A Mobile Robot Platform to Evaluate the Odor-tracking Capability of an Insect. J. Vis. Exp. (118), e54802, doi:10.3791/54802 (2016).

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