Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Böcek kontrollü Robot: Bir Mobil Robot Platformu bir Böcek Koku izleme Yeteneği değerlendirin

Published: December 19, 2016 doi: 10.3791/54802
Automatic Translation
1, 1, 1
1Research Center for Advanced Science and Technology, The University of Tokyo

Summary

Bir koku kaynağı yerelleştirilmesine yeteneği böcek hayatta kalmak için gerekli olan ve yapay koku izleme için geçerli olması bekleniyor. Böcek kontrollü robot gerçek bir silkmoth tarafından tahrik ve bir robot platform üzerinden böceklerin koku izleme yeteneği değerlendirmek için bize sağlar edilir.

Protocol

1. Deneysel Hayvan

  1. Onların eclosion kadar erkek silkmoths ve pupa (B. mori) tutmak için bir plastik kutu hazırlayın. Put kağıt altındaki havlu ve kutu (Şekil 1A) iç duvarı etrafında karton parçaları.
    Not: eclosion (Şekil 1A) sırasında kanatlarını uzatırken yetişkin güveler tutmak için karton parçaları gereklidir.
  2. Put erkek silkmoth (Bombyx mor i) kutusuna pupa ve 16 saat altında eclosion kadar bir kuluçka saklayın: 25 ° C'de karanlık döngüsü: 8 saatlik ışık.
    NOT: erkek ve dişi pupa karın (Şekil 1B) seks işaretlerle ayırt edilebilir.
  3. eclosion sonra yetişkin erkek pervane toplamak ve yeni bir kutu içine taşıyabilirsiniz.
  4. 8 saat ışık: 16 saat altında bir inkübatör içerisinde yetişkin pervane tutun karanlık dönem ve deneyden önce etkinliklerini azaltmak için 15 ° C'ye sıcaklık azalır.

2. silkmoth hayvan zinciri

  1. Tethering için bir ekin Fabrikasyon (Şekil 2A)
    Not: bağlanma onun ucunda ince bir plastik tabakanın bir şerit bir bakır telden oluşur. Bu (Şekil 2B) yürüyüş sırasında toraks dorsal-ventral hareketini sağlar.
    1. ince plastik levha bir şerit, 2 × 40 mm hazırlayın (kalınlık: 0.1 mm) ve orta katlayın.
    2. bir yapıştırıcı ile bir bakır tel ucu katlanmış şerit takın.
    3. Bir silkmoth toraks bağlı olduğu katlanır şeridin ucu kır.
  2. deney için ışık döneminde (2-8 gün) yetişkin güveler kullanın.
    Not: feromon hassasiyet kuvvetle sirkadiyen saat 18 bağlıdır. B. mori bir gündüz güve olduğu için, deney ışık dönemde yapılmalıdır.
  3. Yavaşça dor tüm ölçekler kaldırmaksal ıslak doku (veya pamuklu çubukla) bir parçası kullanarak göğüs (mesonotum) ve mesonotum (Şekil 2C) manikür maruz.
  4. Ek üzerindeki plastik şeridinde ve küçük bir düz uçlu tornavida ile maruz mesonotum yüzeyinde bir yapışkan yapıştırın ve yapışkan artık yapışkan olana kadar 5-10 dakika bekleyin.
    Not: Yapışkan kanat menteşe veya forewing tegulae (Şekil 2C) temas etmemelidir.
  5. eke mesonotum Bond.
  6. Robotun kokpit içine yerleştirmeden önce gergin güve tutun. Bir stand eki tutun ve güve dinlenmek için ayaklarının altına bir kağıt parçası koyun.

3. Böcek kontrollü Robot

  1. Önceki çalışmalarını 16,17,19 dayalı böcek kontrollü robot donanım tasarlayın.
    Not: Böcek kontrollü robot Captur için bir optik fare sensörü ile hava destekli koşu bandı oluşure böcek hareket, işleme ve motor kontrolü ve iki DC fırçasız motorlar için özel olarak oluşturulmuş AVR tabanlı mikroişlemci tahtaları (Şekil 3 ve 4). Robot 200 msn gecikmeli içinde,% 96 hassasiyet veya daha yüksek top rotasyon esasına göre çalışır. Ayrıca feromon izleme davranışı 16 sırasında silkmoth maksimum ileri hız hareketliliğini (24.8 mm / sn) ve açısal hız (96.3 ° / sn) sağlar. Teknede güve topa düzgün yürümeye ve iki anten tarafından bir koku elde etmek için koşu bandı (Şekil 5A) ve koku dağıtım sistemi (Şekil 5B) hava akımı tasarlanmıştır. koşu bandı hava emiş ve akış kanalı feromon kirlenmesini önlemek için koku verme sisteminin olanlardan ayrılır.
  2. Önceki çalışmalarını 16 dayalı yerleşik mikroişlemcisi için yazılım tasarlayın.
    Not: Yerleşik mikroişlemci t hesaplarO bir optik algılayıcı ile ölçülen böcek hareketin robot hareketleri (dönme, Δ x, translasyon, Δ Y; Şekil 6). (Örneğin Δ L = olarak ö; hareket mesafesi (Δ L) ve her bir tekerleğin (sağ, Δ L R sol Δ L L) seyahat mesafesi esas alınarak hesaplanan robotun birim zaman başına açısı (Δθ) çevirin D tekerlekli iki tekerlek (120 mm) arasındaki mesafedir Δ L R) / D tekerlekli, - L L + Δ L R) / 2 ve Δθ = (Δ L L. Δ L, L ve Δ L R daha Δ L L olarak tanımlanmaktadır = Δ L X, L + Δ L Y, L ve Δ L R = Δ L X, R + Δ L Y, R, Δ L x L </ sub> ve Δ U x, R Δ x tarafından kontrol sol ve sağ tarafta tekerleklerin seyahat mesafeleri ve Δ L y L ve Δ L y, R Δ y tarafından kontrol olanlardır. İdeal olarak, Δ U x, L ve Δ U x, R Δ L x L = -Δ L x R = G Δ x (D tekerleği / D top) ve Δ L y, L ve Δ L y olarak tarif edilmektedir , RG motor kazanç ve D'top oyunu (50 mm) çapı olan Δ L, Y, L = Δ L Y, R = G Δ y olarak tarif edilmektedir. Uygulamada, motorlu kazanç bağımsız robot hareketini kalibre şekilde her iki tarafında (sağ veya sol tekerlek) ile ve her yönde (ileri ya da geri dönme) tarafından ayarlanır. Bağımsız kazançlar ayrıca izinRobotun bir dönüm önyargı oluşturmak için asimetrik motor dönme ayarı (adım 6.1).
  3. beyaz genişletilmiş polistiren topun yüzeyini yıkamak (kütle: yaklaşık 2 gr; çap: 50 mm) su ile olası koku veya görsel ipuçlarını kaldırmak için.
    Not: Yeni bir topun yüzeyi topu bacaklarının tutuş sağlar gibi P400 gibi ince taneli zımpara kağıdı, ile roughed edilmelidir.
  4. Koşu bandı 9 V havayı topu (Şekil 5A) yüzen fan fan açın. bilye dibinden yaklaşık 2 mm yüzer gözlemleyin.
  5. Bir vida kullanarak, güve ile ekin bakır tel takmak (Şekil 3 inset bakınız) robotun kokpitte bir fikstür (bkz: adım 2). Orta bacakların konumu topu (Şekil 7A) merkezinde olduğundan emin olun.
  6. b normalde yürümeye güve sağlamak için ekin dikey konumunu ayarlamakherşey. Öncesi ve güve (Şekil 7B) taktıktan sonra aynı yükseklikte topu tutun.
    Not: ekin bir çok-düşük pozisyon nedeniyle dikey konumda değişikliklere güve üzerindeki baskıyı ekler ve bir çok yüksek pozisyon kararsız yürüme ve sensör arızaları neden ise, basıncı (Şekil 7C) karşı geri yürüme ortaya çıkarır top (Şekil 7D). normal yürüme davranışını kontrol etmek için, bir tek şişirilmiş feromon uyarıcı güve yürüyüş tetiklemek için kullanılan (feromon uyarıcı için, adım 4'e bakınız). bombykol önceki maruziyet silkmoths alıştırır ve onların hassasiyetini (Matsuyama ve Kanzaki, yayınlanmamış veri) azalır çünkü deney uyaran az olması gerektiğini unutmayın.

4. Koku Kaynak Hazırlama

Not: Erkek B. Mori conspecific kadın cinsiyet feromonunun ana bileşeni duyarlı (bombykol: (E, Z) -10,12-hexadecadien-1-ol)

  1. filtre kağıdı (yaklaşık 10 mm x 10 mm) içindeki bir parça n-heksan (200 ng / | il) içinde çözüldü bombykol çözeltisi 10 ul bırakın. filtre kağıdının birim başına bombykol miktarı 2.000 ng.
    Not: güve normal yürüme davranışını kontrol bu adımda bir feromon uyarıcı kartuşu hazırlamak. kartuş filtre kağıdının bir parçası bombykol 2.000 ng içeren bir cam Pasteur pipeti olduğunu. Bir ampul Pushing hava içeren bombykol ponponları.

5. Koku Kaynak Yerelleştirme Deneyi

  1. 0,7 m / sn ve set rüzgar hızı, bir çekme-hava-tipi rüzgar tüneli (Şekil 8 1800 × 900 × 300 mm, L x G x Y) ve fan açın. Sıcaklık en fazla 20 ° C olduğundan emin olun.
  2. koku kaynağını ayarlayın (sRüzgar tünelinin yukan bombykol ihtiva eden filtre kağıdı) IECE.
    Not: bulut genişliği TiCI4 17,19 kullanarak deney öncesinde teyit edilmelidir.
  3. Robotun mikrodenetleyici açın ve Bluetooth üzerinden bir PC'ye bir seri bağlantı kurmak.
  4. PC ve robot arasında bir arayüz sağlar "Biyoişaret," adlı bir ısmarlama Java programı başlatın.
    Not: Ana pencere robot komutları göndermek için düğmeler içerir, parametrelerini yapılandırmak için girdi ve seri haberleşme çıkışı ve küçük kutularını görüntülemek için metin pencereleri. sonraki komutlar video çekimi dışında bu programda gelen düğmeleri tıklayarak gönderilir.
  5. Belirtilen COM portu sayesinde robot bir komut göndererek bağlantıyı onaylamak ve bir mesaj robot tarafından döndürülen olup olmadığını kontrol etmek "cihazla ilgili" butonuna tıklayın.
  6. "Memo tıklayınry silme "butonuna onboard flash bellek üzerinde sol önceki lokomosyon verileri silmek için.
  7. robot varsayılan motorlu kazanımları göndermek için "drivemode1" butonuna tıklayın.
    Not: Motor kazanç ve böcek hareketlilik ve robot hareketi arasındaki zaman gecikmesi manipülasyonlar bu aşamadan sonra (adım 6.1 ve 6.3, Şekil 9) uygulanır.
  8. Deney başlayana kadar robot hareketsiz bir komut göndermek için "sürücü yok" butonuna tıklayın.
  9. Bir başlangıç ​​pozisyonuna (koku kaynağından 600 mm aşağı) de robot koyun ve motor sürücü kurulu anahtarını açın.
  10. video yakalama başlatmak için kameranızın kayıt düğmesine basın.
  11. onboard flash bellek top dönme eşzamanlı kaydı ile robot başlatmak için start komutu göndermek için "rec başlangıç" butonuna tıklayın. Robot hareket etmeye başlar ve koku tüy izler gözlemleyin.
  12. Tıkla"Rec stop" ve robot koku kaynağı lokalize ise robot hareket ve kayıt hem de durdurmak için komutlar göndermek için düğmeler "sürücü yok".
  13. video yakalama durdurmak için kameranızın kayıt düğmesine basın.
  14. İndir bir seri bağlantı ile bilgisayara onboard flash bellekten lokomosyon verileri kaydedildi. Programı kapat.

Böcek kontrollü Robot 6. Manipülasyon

Not: Her manipülasyon zamanlaması Şekil 9'da gösterilir.

  1. Motor kazanımlarının Manipülasyon
    Not: Bu durum, manipülasyon robotun translasyon ve rotasyon hızı değiştirir. Asimetrik motorlu kazançlar böcekler yanlılık 17 telafi nasıl araştırmak için kullanılabilecek bir dönüm önyargı oluşturmak.
    1. Düzenleyerek th tarafından ileri ve her tarafta 17 (Şekil 6B) üzerine motorun geriye dönüş için dönme kazanımlar tanımlayıne yapılandırma dosyası bir metin düzenleyicisi kullanarak "param2.txt" adını verdi.
    2. yazılım programında düzenlenmiş yapılandırma dosyasını okumak için "set PARAM2" üzerine tıklayın. Sonra, robot manipüle kazanımları göndermek için "drivemode2" üzerine tıklayın.
  2. Motor çıkış inversiyon
    Not: Bu manipülasyon ikili koku giriş ters benzer bir koşul sağlar (adım 6.4) ve bilateral olfaction önemini araştırmak için kullanılabilir. Fakat motor çıkış inversiyon da onboard güve kendine bağlı görsel hareketi tersine çevirir. Ters kendine bağlı görsel giriş etkisi ters koku giriş 19 ile bir karşılaştırma ile değerlendirilebilir.
    1. Her motor için kumanda kabloları geçerek ikili motor kontrolü ters çevirin.
  3. Böcek hareketlilik ve robot hareketi arasındaki zaman gecikmesi manipülasyon.
    Not: Bu manipülasyonuRobotik koku takibi için duyusal-motor işleme harcanan zaman kabul edilebilir bir süre incelenmesi için izin verir. mikro bir tampon belleğe hareket verilerini depolayan ve sonra belirtilen süre geçtikten sonra işler. Robot 200 msn maksimum iç zaman gecikmesi olduğunu unutmayın; Bu nedenle, gerçek zaman gecikmesi belirtilen zaman gecikmesi artı 200 msn 16,17 olması bekleniyor.
    1. ana pencerenin küçük bir kutu giriş (0-10) bir sayı 100-msn adımlarda 0-1.000 msn'den bir gecikme süresini belirtmek için.
    2. zaman gecikmesi uygulamak için "set gecikme" butonuna tıklayın.
  4. koku giriş Manipülasyon.
    Not: Bu manipülasyon ikili koku girdi önemini araştırmak için kullanılabilir. Silkmoths bir dalgalanma yönü yüksek konsantrasyon tarafına 22 taraflıdır.
    1. emme borusu uçları arasındaki boşluğu değiştirmek veya değiştirmek için konumlarını tersher bir anten tarafından alınan koku konsantrasyonu farkı.
  5. Görsel giriş Manipülasyon
    Not: Bu manipülasyon koku takibi için görsel girdi rolünü araştırmaktır.
    1. sırasıyla, onboard güve yatay ve dikey görme alanı 105 ° ve 90 ° tıkar bir beyaz kağıt ile gölgelik örtün.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Biz burada bir koku kaynağının başarılı lokalizasyonu için gerekli olan böcek kontrollü robotun temel özelliklerini sunuyoruz. robot ve silkmoths, koku verme sisteminin etkinliği ve doğru ikili koku alma ve görsel verilerin önemini karşılaştırılması incelenmiştir.

Özgürce yürüyüş kelebekler ve böcek kontrollü robot arasındaki koku izleme davranışları karşılaştırılması Şekil 10A ve B gösterilmiştir. Aynı koku şartlar altında, yürüyüş güveler ve robotlar hem% 100 başarı oranları (; robot, N = 7 kelebekler tarafından 7 denemeler yürüyüş güve, N = 10 kelebekler tarafından 10 denemeler) attı. Robot yürüme kelebeklerin kıyasla daha geniş yörüngeleri sergilenen rağmen, yürüyüş kelebekler ve robot arasındaki lokalizasyonu zamanında anlamlı bir farklılık (p oldu2; 0.05, Wilcoxon rank sum testi; güve, ortanca = 46.5 sn, IQR 69.6, 36.7 =; Robot, ortanca = 48.1 sn, IQR) 44.9, 61.9 =.

Koku dağıtım sistemi (Şekil 5B) yerden 90 mm yerleştirilen onboard güve antenlerine yere yakın Odorant akışını sağlamak için gereklidir. Bu sistemde (emme boruları, fanlar ve gölgelik) olmadan, robot koku kaynağına doğru yönlendirmek ve durdurulana kadar çizerek devam edemedi (N = 5 kelebekler tarafından 10 denemeler Şekil 10C, başarısız). Programlanmış silkmoth davranışına göre, sürekli çevreleme bir silkmoth oryantasyon 21,22 sırasında feromon temas başarısız tipik bir davranıştır.

Şekil 11 robot manipülasyonları gösteren temsili sonuçlarını gösterir. koku izleme için bir ikili koku giriş etkinliği değerlendirilmekteTüp ipuçları (6.4 adım) konumunu değiştirerek veya motor çıkışı (adım 6.2) ters çevrilerek ed. Dar aralıkta, 20 mm, N = 10 kelebekler tarafından 10 denemeler, sol ve sağ tüpler arasındaki iki farklı boşluklar (geniş boşluk [kontrol], 90 mm, N = 10 kelebekler tarafından 10 denemeler ile% 100 robot elde edilen başarı oranları; Şekil 11A, B) ve bu iki tüp pozisyonları (P> 0.05, Steel'in testi arasındaki lokalizasyonu zamanında anlamlı fark yoktu; Şekil 11E). (Anlamlı bir fark olmamasına rağmen Öte yandan, tüp ipuçları inversiyon, yan rüzgar yönünde yörüngeleri genişletti ve biraz lokalizasyonu zaman medyan arttı (her anten, tüp boşluğu = 90 mm karşı taraftan Deodorantını aldı) P> 0.05, Steel'in testi; Şekil 11C, E). Motor çıkış inversiyon ters olfacto olarak benzer bir durum sağlarry girdi; ayrıca, aynı zamanda yerleşik güvesi tarafından alınan kendine bağlı görsel hareketi tersine çevirir. Çünkü ters negatif görsel geribildirim (yani, pozitif geribesleme), robot bile önemli ölçüde yerelleştirme zaman uzamış koku bulutunun (Şekil 11D), içinde, çizerek devam etmiştir (p <0.01, Steel'in testi; Şekil 11E). ters koku girişi (C) ve ters motor çıkış (D) başarı oranları sırasıyla% 80 (N = 10 kelebekler tarafından 10 deneme) ve% 90.9 (11 güveler tarafından 11 çalışma) idi. Silkmoths duyusal-motor kontrol ayrıntılı bir açıklaması daha önceki çalışmaları 19 tarif edilmiştir.

Şekil 1
Silkmoth pupa 1. saklama ve Şekil. (A), erkek pupa plastik bir kutu (sol) depolanır. yetişkin güveler b iç duvarı etrafında karton tutuneclosion (sağda) sırasında öküz. Pupa (B) Seks işaretleri. Her ok dokuzuncu karın erkek segmentinde, kadınlarda sekizinci karın segment ventral tarafında ince, boyuna çizgi ile "X" işareti ventral tarafında küçük bir nokta olduğunu gösterir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

şekil 2
Şekil 2. silkmoth hayvan zinciri. Bir silkmoth tethering için bir ekin (A) Fabrikasyon. üç adım (metne bakınız) 2.1.3 için 2.1.1 açıklanmıştır. Ince plastik tabakanın bir iki kat şerit dorsal-ventral hareketi emer bakır tel, ucunda bağlı olduğu yürüme sırasında mesonotum (Resim 2B bakınız). Telin diğer kavisli ucu handli içinng. (B) izleme feromon sırasında silkmoth Yüksek ve düşük tutum (femur ve ön ayakları [ok] ve tibia arasındaki açıyı bakınız). Mesonotum üzerindeki ölçekler (C) Temizleme (ok uçları ile gösterilir). sol ve sağ resim ise, önce ve sonra terazi uzaklaştırılmasını gösterir. forewing tegulae (kesikli çizgiler ile çevrili) sağlamdı. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 3,
Şekil 3. robot böcek kontrollü. içerlek kokpit büyütülmüş görünümünü göstermektedir. (1) bir koşu bandı (hava destekli top, inset bakınız) A gergin silkmoth, (2) alarak, güve için (3) emme tüplerini (hava hızı, 0,5 m / sn) bir koku sağlamak için iki fanlar koku, (4) DC motor ve wheels, (5) mikro panoları, (6) topu hava beslemek için bir hava girişi (7) çevrimdışı video için izleme belirteçleri, (8), iki LED 9 (kokpit (280 lx) sabit aydınlatma tutmak analizleri ) silkmoth ve (10) eki bir fikstür hayvan zinciri için bir eki. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 4,
4. Donanım diyagramı Şekil. koşu bandı hava destekli topun dönme 1.5 kHz örnekleme hızında 0.254 mm çözünürlüğe sahip optik fare sensörü ile ölçüldü. mikrodenetleyiciler sensör çıkışından silkmoth yörüngesini hesaplanmış ve sol ve sağ tarafta iki DC motorları kontrol edilir. motorlar pozisyon geri besleme ile 1 kHz darbe genişlik modülasyonu tarafından tahrik edildidan yerleşik Hall sensörleri. Optik sensör çıkışı (yani, yerleşik güve davranışı) 5 Hz'lik bir örnekleme hızında bir onboard flash bellek (8 Mbit) saklanan edildi. Bu veriler, bir robot hareketleri ile bütünleşik güve davranışını karşılaştırılması için kullanıldı. Bir bilgisayara (PC) ve robot arasındaki kablosuz iletişim sadece başlangıç ​​ve robot durdurmak ya da robot motor özelliklerini işlemek için komutları göndermek için kullanılan Bluetooth yoluyla elde edildi. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 5,
Şekil koşu bandı ve koku dağıtım sistemi için 5. Hava akışı tasarımları. (A) Hava Akımı koşu bandı topu desteklemek. hava üfleme fa tarafından kokpit arkasında hava girişinin alınmıştırn; daha sonra bir kanaldan akan ve ısmarlama FRP fincan (ek) üzerine küçük delikler (1 mm çapında) dan üfledi. Kırmızı bir dikdörtgen tarafından çevrelenmiş fincanın üstten görünüşüdür içerlek gösterilmiştir. Kırmızı oklar hava akımını gösterir; beyaz ok, bir LED verici ile optik sensör; ve siyah ok, küçük delikli fincan. (B) koku verme sisteminin hava akımı. feromon içeren hava gölgelik bir bölüm ayrılmış her tarafta esnek polietilen tüp ucundan emilir ve aynı taraftaki anten teslim edildi. her iki tarafında hava akışı, kırmızı veya mavi oklarla gösterilir. Bu rakam Ando ve Kanzaki 19 modifiye edilmiştir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 6,
Böcek hareketin robot hareketinin 6. hesaplanması Şekil. (A) robot (Δ L) ve tekerlek hareketleri şematik bir çizimi (Δ L L ve sağ, Δ L R sol). Δθ, robot açısını çevirin. Hesaplaması için (B) Parametreler. Δ x ve Δ y topun dönme ve öteleme hareketleri temsil (pozitif değer saat yönünde veya ileri yönünü gösterir); D topu, topun çapı; D jantlar, tekerlekler arasındaki mesafe; G FW, L ve G BW L, ileri (FW) ya da sol tekerleğe (L) geriye (BW) Motorun dönme kazançları; G FW, R ve G SB, R, ileri veya sağ tekerleğin (R) geriye dönüş motorlu kazançlar. Onu tıklayınızE bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için.

Şekil 7,
Koşu bandı üzerinde bir gergin güve konumunun 7. Ayarı Şekil. (A) topa bir gergin güve lateral görünümü. Orta bacaklar topu (siyah ok) üst kısmında yer almalıdır. (B) güve uygun dikey konumu. güve arkasında optik sensör topun merkezini karşı karşıyadır. (Sol taraftan bakıldığında) normal ileri yürüme topu saat yönünde döner. (C) dikey pozisyon çok düşük (aşağı ok). silkmoth baskılara karşı ön ayaklarını uzatır ve (dönme yönünün tersine) geriye topu döndürür. (D) dikey pozisyon çok yüksek (yukarı ok). güve topu tutar ve onu havaya kaldırıyor. Güve ileri gerçekleştirebilirsiniz rağmen bu durumun 23 yürüyüş Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 8,
8. Rüzgar tüneli rakam. Hava bir mesh panelinde (kırmızı ok) ile süzüldü; daha sonra 900 (W) mm × bir kamera, 1500 (L) kayıt alanına girdi. koku kaynağı kayıt alanının memba yerleştirildi ve feromon kirlenmiş hava bir fan (mavi ok) ile dışarıda bitkin düştü. rüzgar tüneli ekstrüde polistren köpük yapıldı. Tavan şeffaf akrilik levha, ve zemin robot tekerlekleri kaymasını önlemek için bir kauçuk paspas oldu. koku kaynağı wcrosswind pozisyon ve örgü panelinden downwind 250 mm merkezinde yer olarak. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 9,
Protokolde robot manipülasyonlar 9. Zamanlamaları Şekil. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 10,
Şekil 10. Koku kaynak lokalizasyonu testi. (. Ando ve ark 17 verileri; N = 10 kelebekler tarafından 10 denemeler A) böcek kontrollü robot (Her panel silkmoths yörüngesini gösterir (C olmadan N = 7 güveleri), ve robot tarafından 7 denemeler N = 5 kelebekler tarafından 10 denemeler). güveler ya da robot bir koku kaynağı (çapraz işareti, bombykol 2.000 ng içeren filtre kağıt parçası) 600 mm downwind (ok başı) başladı. kısa veya lokalizasyonu için alınan en uzun süre ile denemeler sırasıyla kırmızı ve mavi çizgiler olarak gösterilir. Diğer başarılı çalışmalar gri renkli ve başarısız denemeler yeşildir. Bir daire lokalizasyon başarı yargılamak için hedef alanını belirtir. Hedef bölgenin çapı dahili güve ve koku kaynağı 17 arasında en küçük mesafe eşdeğer robot büyüklüğü temelinde tanımlandı. Bir ok rüzgar yönü (rüzgar hızı: 0.7 m / sn) gösterir ve çizgiler feromon bulutunun sınırlarını gösterir kesik. Bir büyük görmek için tıklayınızBu rakamın sürümü.

Şekil 11,
11. koku giriş Manipülasyon ve motor çıkışını Şekil. Dar bir aralık (B; (N = 10 güveler tarafından 10 çalışmalarda başarılı kontrolü, 90 mm, A); Her panel geniş tüp boşluğu ile robot (onboard güve pozisyonu) başarılı yörüngelerini gösteren 20 mm N = 10 güveleri), ters bir çok tüp boşluğu (C 10 çalışmalarda başarılı; başarılı; 8 ila 10 arasında çalışmalarda, n = 10 güveleri) ve ters motor çıkışı (D geniş tüp boşluğu başarılı 11 çalışmaların 10, N) 11 güveleri =. bombykol 2.000 ng içeren filtre kağıt parçası ile tekrarlayan hava ponponları çapraz işareti serbest bırakıldı. robot ile gri ve beyaz oklar ikili koku girdi ve moto yönelimleri göstermektedirr çıktı. Deney koşulları ve şekil açıklamaları için diğer Şekil 10 ile aynıdır. Dört koşulları (AD) kapsamında robotun lokalizasyonu (E) Saat. Bireysel veri bir kutu arsa özetlenmiştir. Kutunun sol ve sağ tarafları birinci ve üçüncü çeyrekleri gösterir ve çubuk medyan temsil eder. bıyık 1.5 × interkartil aralığını göstermektedir. Yıldız Steel testi (** p <0.01) 'e göre, kontrol verilerinin (A) önemli bir fark olduğunu ortaya koymaktadır. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Bir silkmoth tarafından robotun başarılı bir şekilde kontrol için en önemli noktalar güve hava destekli topa düzgün yürümek izin ve stabil topun dönmesi ölçme. Bu nedenle, silkmoth tethering ve uygun pozisyonda topa üzerine monte Bu protokol kritik adımlar vardır. eki ya da topa güve uygunsuz konumlandırılması güve uygunsuz yapışma normal yürüme davranışını bozan ve / veya topun dönmesi ölçmek için optik sensör bir başarısızlık nedenleri üzerinde doğal olmayan baskı, neden olacaktır. polistiren topu pürüzlendirme kaymasını güve önlemek için de önemlidir. yanıt gergin güve lokomosyon uyaranı kokulara karşı ve sonraki robot hareketi dikkatle koku izleme testi (adım 3.6) öncesinde kontrol edilmelidir.

o neredeyse sağlayan koşu bandı eğrilik azalır çünkü daha büyük bir topun kullanılması daha iyidirböcek ayakları düz düzlem. Burada kullanılan 50-mm çaplı topu silkmoths geleneksel bandı kurulumunda kullanılan ile karşılaştırıldığında nispeten küçük (çap: 75 mm) 24. topun atalet robot hareketleri sırasında göz ardı edilemez çünkü Ancak, daha büyük (ve daha ağır) top, dikkatle kullanılmalıdır. onboard güve bacakları robot hareketleri sırasında bir topun atalet kuvvet kaynaklı rotasyon dizginlemek yapamıyorsanız, robot güvesi herhangi yürüyüş olmadan sürekli salınım. deneyci diğer böcek türlerinin kullanımı göz önüne alındığında, bu nedenle, topu boyutu bacak kulpları ve bunların boyutlarının gücüne dayanarak seçilmelidir. koku kaynağı lokalizasyonu sırasında, deneyci de davranışını kontrol etmelisiniz güve-olsun onboard güve topa düzgün yürür ve robot hızla güve hamle olarak yanıt verir. o eki (bir çok düşük pozisyon çok fazla baskı aldığında silkmoth geriye yürüme sergiler, bkz Şekil 5B) önündeki bölüm olarak (bir nesne dokunma Ön ayakların tekrarlayan hareketler. Böcek hareketlilik robot Kötü yanıt uygunsuz top pozisyonunda ya da (yaklaşık 30 dakika boyunca piller) pillerin tükenmesi nedeniyle.

Böcek kontrollü robot sınırlaması onboard güve kesinlikle doğal olmayan koşullarda yer olmasıdır. Koşu bandı, koku dağıtım sistemi ve kokpit 90 mm yükseklik özgürce yürüyüş kelebekler tarafından satın olanlardan farklı duyusal bilgileri (mechanosensory, koku ve görsel) sağlar. Biz özgürce yürüyen silkmoths olanlar ile böcek kontrollü robot davranışları karşılaştırıldığında bu farklılıklar belli oldu. r Örneğin, koku kaynağı lokalizasyonu için aynı performans robot ve özgürce yürüyüş silkmoths arasında fark olmasına rağmen, yörüngelerobot, yan rüzgar yönü boyunca seyrek onlar tüy genişliği azalması (Şekil 10A, B) 'ye göre, koku kaynağını ulaştı silkmoths yakınsama özgürce yürüyen olanlarsa. Bu fark sadece dolayı robot ve kelebeklerin farklı boyutlarda etmektir. Özellikle, onboard güve ve tüp ucu arasındaki mesafe Koku moleküllerini aramak için aralığını belirler; Bu nedenle, büyük mesafe (robot: 100 mm; güve: anten ucuna toraks yaklaşık 10 mm) bile dumanın dışında etkinleştirmek için robot sağlar. Dahası, gölgelik güve dış ortamdan rüzgar yönünü alamazsınız. Koku izleme rüzgar yönü önemi henüz silkmoths 22 tespit edilmemiş olmasına rağmen, akış yönünün kullanılması, diğer organizmalar 5,6 koku-izleme için temel bir stratejidir. Çünkü koku verme sistemi tarafından üretilen uygulanan hava akışı, aynı zamanda zorBöyle hava akımını oluşturur ve silkmoths 25 koku alımını kolaylaştırır kanat çırparak etkisi olarak "aktif algılama," hesaba. Denemecileri birden yöntemlerin kullanımını keşfetmek için bu tekniği kullanır Çünkü eğer bu sınırlamalar, robot deneyleri ile elde edilen sonuçlar doğal şartlarda 19 bozulmamış böcekler uygulanabilir olup olmadığı tartışılmalıdır.

Böcek kontrollü robot böceklerin koku izleme yeteneği değerlendirilmesi için üç şart yerine: 1) böcek motorun doğrudan arabirim gerçek bir koku bulutunun içinde, 2) test kumanda robot komutları, ve 3) böcek yılların manipülasyon izin duyusal-motor sistemi. İlk olarak, bir böceğin, bir robot, bir robot kontrol edilmesi için sinir sinyallerinin kullanımı arasındaki ara ile ilgili, örneğin beyin-makine arayüzü 26 gibi alternatif bir yöntemdir. böcekler üzerinde çeşitli çalışmalar işbirliği için nöral sinyalleri veya elektromiyogramın kullanınBir robot ve kapalı geribildirim ntrol 27-30 döngüler. Ancak, bu yaklaşım nörobilim önemli ve devam eden araştırma konusu anlamlı motorlu komutları, ayıklamak için sinir sinyallerinin çözme gerektirir. Bu nedenle, robot kontrolü için böceklerin gerçek yürüme davranışı kullanımı robota böceğin motorlu komutları arayüzü doğrudan ve basit bir yoludur. İkincisi, robot davranır çevreyi ilgili, sanal gerçeklik kullanımı alternatif 13,31-33 olacaktır. Sanal gerçeklik daha kontrollü hallerde davranışsal deneyler bize sağlayan ve hava destekli koşu bandı görsel koşullar 24,34-36 hayvan hareketlilik ve nesil takibi için kullanılır olmuştur görme çalışmada, en başarılı olduğunu. o hassas akış kontrolü gerektirdiğinden Ancak, koku bilgi geribesleme kapanış teknik olarak zordur. optogenetics uygulanması olfaktori reseptör N aktif hale getirmek için, ancakolfaction sanal gerçeklik sınırlamaları aşmak olacak eurons 37-40, gerçek bir koku bulutunun bir cep robot kullanımı güvenilir bir koku alma kurmak için bir yol şu anda kapalı devre olacaktır. Son olarak, bir böceğin duyusal-motor sisteminin manipülasyona ilişkin, alternatif yaklaşımlar (örn, kesme veya duyu organları ya da 41 uzantıları kapsayan) böceklerin cerrahi manipülasyonlar olacaktır. Robot sağlayan Bununla birlikte, bizim robotik manipülasyon (adım 6 ve Şekil 11) robot platformunun 19 manipülasyonu ile elde böceklerin duyusal-motor sistemi, değiştirmek için bir non-invaziv ve geri dönüşümlü bir yol ve çeşitli parametrelerin kontrol edilebilirlik olduğunu bize çeşitli koşullar altında performansını test etmek için.

Böcek kumandalı robot gelecekteki uygulamalar için iki önemli yönleri vardır. birinci yön ürünler içindir. Böcek duyusal-motor sistemi, i tarafından kontrol edilen özerk bir robot gibinsect kontrollü robot büyük ölçekli sinir ağları basitleştirilmiş Braitenberg araçlar 42 arasında değişen biyolojik modelleri ile uygulanan mobil robotlar için bir referans olacaktır. Böcek kumandalı robot aynı zamanda bir kamera uygulanması ve çarpışma-serbest koku izleme algoritmaları keşfetmek için çarpışmayı önlemek için bir algoritma gibi böcek koku takibi ile diğer yöntemlere, olası kombinasyonları test etmek için yararlı bir platform olacak. Ayrıca, robot özellikleri ince ayar bozulmamış böcekler daha iyi koku izleme performansı artırabilir. Biz hedef maddenin karakteristik kimyasallara tepki transgenik silkmoths 43 taklit eğer böcek yeteneği çeviri, tehlikeli maddelerin bulmak için bu robot kendisinin pratik kullanımı neden olabilir. Biz sorumluluk yönün ötesine robotik uygulamalar için biomimetic algoritmaları nasıl kullanmalıyım: Diğer taraftan, böcek kumandalı robot da önemli bir soru çıkaracağızböcekler ve robotlar arasında Rence? Örneğin, böcek koku reseptörleri böcek koku işleme ve koku kaynağı lokalizasyonu için sorumlu olan koku konsantrasyonu 44-46, yüksek hızlı zamansal dinamiklerini elde etmek için olağanüstü bir yeteneği var, ama çok geleneksel gaz sensörleri 4,29 kapasitesinin ötesindeki, 47. Nasıl da gelecekteki yönü olarak araştırılmalıdır robotların duyusal yeteneklerini karşılamak için biomimetic algoritma değiştirmek için. Diğer önemli yönü biyoloji için kesinlikle. Böcek kontrollü robot kapalı döngü deneysel bir platform olarak kabul edilebilir. Ayrıca, robotik manipülasyon olarak, böceğin duyusal-motor ilişkisini değiştirmek için bir non-invaziv bir şekilde, daha küçük böcek beyin, cevap öğrenmek ve yeni koşullara uyum nasıl araştırmak için uygulanacaktır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Murlis, J., Jones, C. D. Fine-scale structure of odor plumes in relation to insect orientation to distant pheromone and other attractant sources. Physiol Entomol. 6, 71-86 (1981).
  2. Vergassola, M., Villermaux, E., Shraiman, B. I. 'Infotaxis' as a strategy for searching without gradients. Nature. 445, 406-409 (2007).
  3. Kowadlo, G., Russell, R. A. Robot Odor Localization: A Taxonomy and Survey. The International Journal of Robotics Research. 27, 869-894 (2008).
  4. Hernandez Bennetts, V., Lilienthal, A. J., Neumann, P. P., Trincavelli, M. Mobile robots for localizing gas emission sources on landfill sites: is bio-inspiration the way to go. Frontiers in neuroengineering. 4, 20 (2011).
  5. Vickers, N. J. Mechanisms of animal navigation in odor plumes. Biol Bull. 198, 203-212 (2000).
  6. Willis, M. A. Chemical plume tracking behavior in animals and mobile robots. Navigation. 55, 127-135 (2008).
  7. Carde, R. T., Willis, M. A. Navigational strategies used by insects to find distant, wind-borne sources of odor. J Chem Ecol. 34, 854-866 (2008).
  8. Frye, M. A. Multisensory systems integration for high-performance motor control in flies. Curr Opin Neurobiol. 20, 347-352 (2010).
  9. Russell, R. A. Survey of robotic applications for odor-sensing technology. The International Journal of Robotics Research. 20, 144-162 (2001).
  10. Russell, R. A., Bab-Hadiashar, A., Shepherd, R. L., Wallace, G. G. A comparison of reactive robot chemotaxis algorithms. Robot Auton Syst. 45, 83-97 (2003).
  11. Ishida, H., Nakamoto, T., Moriizumi, T., Kikas, T., Janata, J. Plume-tracking robots: a new application of chemical sensors. Biol Bull. 200, 222-226 (2001).
  12. Webb, B., Harrison, R. R., Willis, M. A. Sensorimotor control of navigation in arthropod and artificial systems. Arthropod Struct Dev. 33, 301-329 (2004).
  13. Kanzaki, R. How does a microbrain generate adaptive behavior. Int Congr Ser. 1301, 7-14 (2007).
  14. Kanzaki, R., Ando, N., Sakurai, T., Kazawa, T. Understanding and reconstruction of the mobiligence of insects employing multiscale biological approaches and robotics. Adv Robotics. 22, 1605-1628 (2008).
  15. Ravel, N., et al. Multiphasic on/off pheromone signalling in moths as neural correlates of a search strategy. Plos One. 8, 61220 (2013).
  16. Emoto, S., Ando, N., Takahashi, H., Kanzaki, R. Insect-controlled robot-evaluation of adaptation ability. J Robot Mechatronics. 19, 436-443 (2007).
  17. Ando, N., Emoto, S., Kanzaki, R. Odour-tracking capability of a silkmoth driving a mobile robot with turning bias and time delay. Bioinspir Biomim. 8, 016008 (2013).
  18. Gatellier, L., Nagao, T., Kanzaki, R. Serotonin modifies the sensitivity of the male silkmoth to pheromone. J Exp Biol. 207, 2487-2496 (2004).
  19. Ando, N., Kanzaki, R. A simple behaviour provides accuracy and flexibility in odour plume tracking - the robotic control of sensory-motor coupling in silkmoths. J. Exp. Biol. 218, 3845-3854 (2015).
  20. Kaissling, K. E. Insect olfaction. Handbook of Sensory Physiology Vol. 4. Beidler, L. M. , Springer-Verlag. 351-431 (1971).
  21. Kanzaki, R., Sugi, N., Shibuya, T. Self-generated zigzag turning of Bombyx mori males during pheromone-mediated upwind walking. Zool Sci. 9, 515-527 (1992).
  22. Takasaki, T., Namiki, S., Kanzaki, R. Use of bilateral information to determine the walking direction during orientation to a pheromone source in the silkmoth Bombyx mori. J Comp Physiol. A. 198, 295-307 (2012).
  23. Kanzaki, R. Coordination of wing motion and walking suggests common control of zigzag motor program in a male silkworm moth. J Comp Physiol A. 182, 267-276 (1998).
  24. Pansopha, P., Ando, N., Kanzaki, R. Dynamic use of optic flow during pheromone tracking by the male silkmoth, Bombyx mori. J Exp Biol. 217, 1811-1820 (2014).
  25. Loudon, C., Koehl, M. A. R. Sniffing by a silkworm moth: Wing fanning enhances air penetration through and pheromone interception by antennae. J. Exp. Biol. 203, 2977-2990 (2000).
  26. Lebedev, M. A., Nicolelis, M. A. L. Brain-machine interfaces: past, present and future. Trends Neurosci. 29, 536-546 (2006).
  27. Ejaz, N., Peterson, K. D., Krapp, H. G. An experimental platform to study the closed-loop performance of brain-machine interfaces. Journal of visualized experiments : JoVE. , (2011).
  28. Minegishi, R., Takashima, A., Kurabayashi, D., Kanzaki, R. Construction of a brain-machine hybrid system to evaluate adaptability of an insect. Robot Auton Syst. 60, 692-699 (2012).
  29. Martinez, D., Arhidi, L., Demondion, E., Masson, J. B., Lucas, P. Using insect electroantennogram sensors on autonomous robots for olfactory searches. Journal of visualized experiments : JoVE. , e51704 (2014).
  30. Ortiz, L. I. A mobile electrophysiology board for autonomous biorobotics. , The University of Arizona. MS thesis (2006).
  31. Bohil, C. J., Alicea, B., Biocca, F. A. Virtual reality in neuroscience research and therapy. Nat Rev Neurosci. 12, 752-762 (2011).
  32. Dombeck, D. A., Reiser, M. B. Real neuroscience in virtual worlds. Curr Opin Neurobiol. 22, 3-10 (2012).
  33. Roth, E., Sponberg, S., Cowan, N. J. A comparative approach to closed-loop computation. Curr Opin Neurobiol. 25, 54-62 (2014).
  34. Leinweber, M., et al. Two-photon calcium imaging in mice navigating a virtual reality environment. Journal of visualized experiments : JoVE. , e50885 (2014).
  35. Takalo, J., et al. A fast and flexible panoramic virtual reality system for behavioural and electrophysiological experiments. Sci Rep. 2, 324 (2012).
  36. Bahl, A., Ammer, G., Schilling, T., Borst, A. Object tracking in motion-blind flies. Nat Neurosci. 16, 730-738 (2013).
  37. Bellmann, D., et al. Optogenetically Induced olfactory stimulation in Drosophila larvae reveals the neuronal basis of odor-aversion behavior. Front Behav Neurosci. 4, 27 (2010).
  38. Gaudry, Q., Hong, E. J., Kain, J., de Bivort, B. L., Wilson, R. I. Asymmetric neurotransmitter release enables rapid odour lateralization in Drosophila. Nature. 493, 424-428 (2013).
  39. Tabuchi, M., et al. Pheromone responsiveness threshold depends on temporal integration by antennal lobe projection neurons. Proc Natl Acad Sci U S A. 110, 15455-15460 (2013).
  40. Schulze, A., et al. Dynamical feature extraction at the sensory periphery guides chemotaxis. Elife. 4, 06694 (2015).
  41. Duistermars, B. J., Chow, D. M., Frye, M. A. Flies require bilateral sensory input to track odor gradients in flight. Curr Biol. 19, 1301-1307 (2009).
  42. Gomez-Marin, A., Duistermars, B. J., Frye, M. A., Louis, M. Mechanisms of odor-tracking: multiple sensors for enhanced perception and behavior. Front Cell Neurosci. 4, 6 (2010).
  43. Sakurai, T., et al. A single sex pheromone receptor determines chemical response specificity of sexual behavior in the silkmoth Bombyx mori. Plos Genet. 7, (2011).
  44. Tripathy, S. J., et al. Odors pulsed at wing beat frequencies are tracked by primary olfactory networks and enhance odor detection. Front Cell Neurosci. 4, 1 (2010).
  45. Daly, K. C., Kalwar, F., Hatfield, M., Staudacher, E., Bradley, S. P. Odor detection in Manduca sexta is optimized when odor stimuli are pulsed at a frequency matching the wing beat during flight. Plos One. 8, 81863 (2013).
  46. Szyszka, P., Gerkin, R. C., Galizia, C. G., Smith, B. H. High-speed odor transduction and pulse tracking by insect olfactory receptor neurons. Proc Natl Acad Sci USA. 111, 16925-16930 (2014).
  47. Harvey, D., Lu, T. F., Keller, M. Odor sensor requirements for an insect inspired plume tracking mobile robot. Proceedings of'The 2006 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics. , 130-135 (2006).

Tags

Nörobilim Sayı 118 silkmoth böcek koku izleme feromon vizyon multisensory entegrasyon böcek-makine hibrid robot biyomimetik
Böcek kontrollü Robot: Bir Mobil Robot Platformu bir Böcek Koku izleme Yeteneği değerlendirin
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Ando, N., Emoto, S., Kanzaki, R.… 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).

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