Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Insekt-kontrollerede robot: Et mobilt Robot Platform at evaluere Lugt-sporing Mulighed for et insekt

doi: 10.3791/54802 Published: December 19, 2016

Summary

Evnen til at lokalisere en lugt kilde er nødvendig for insekt overlevelse og forventes at være gældende for kunstig lugt-tracking. Insektet-robot er drevet af en egentlig silkmoth og gør det muligt at evaluere lugt-tracking evne af insekter gennem en robot platform.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. Eksperimentel Animal

  1. Forbered en plastboks til at holde pupper af mandlige silkmoths (B. mori), indtil deres eclosion. Put papirhåndklæder nederst og stykker af pap omkring indervæggen af boksen (figur 1A).
    Bemærk: De stykker pap er nødvendige for de voksne møl til at holde samtidig udvide deres vinger under eclosion (figur 1A).
  2. Sæt mandlige silkmoth (Bombyx mor i) pupper i boksen og holde dem i en inkubator indtil eclosion under en 16-timers: 8-timers lys: mørke cyklus ved 25 ° C.
    BEMÆRK: mandlige og kvindelige pupper kan diskrimineres af sex aftegninger på maven (figur 1B).
  3. Saml voksne mandlige møl efter eclosion og flytte dem ind i en ny boks.
  4. Hold voksne møl i en inkubator under en 16-hr: 8-timers lys: mørke-cyklus og sænke temperaturen til 15 ° C for at reducere deres aktivitet før forsøget.

2. netdeling en Silkmoth

  1. Fabrikation af en vedhæftet fil til tethering (figur 2A)
    Bemærk: Fastgørelsen består af en kobbertråd med en strimmel af et tyndt plastark på sin spids. Dette sikrer den dorsale-ventrale bevægelse af thorax under gang (figur 2B).
    1. Forbered en strimmel af et tyndt plastfolie, 2 × 40 mm (tykkelse: 0,1 mm), og fold det på midten.
    2. Fastgør foldede strimmel til spidsen af ​​en kobbertråd med et klæbemiddel.
    3. Bøje spidsen af ​​den foldede strimmel hvor brystkassen af ​​en silkmoth er vedlagt.
  2. Brug voksne møl (2-8 dage gamle) i lyset periode til eksperimentet.
    Bemærk: Følsomheden til feromon afhænger stærkt af den døgnrytmen ur 18. Fordi B. mori er en daglig møl, skal forsøget udføres under lyset periode.
  3. Fjern forsigtigt alle skalaer på dorsal thorax (mesonotum) ved hjælp af et stykke vådt væv (eller vatpind) og udsætte neglebånd af mesonotum (Figur 2C).
  4. Indsæt et klæbemiddel på strimlen af ​​plast på den vedhæftede fil og på overfladen af ​​den udsatte mesonotum med en lille flad skruetrækker og vente 5-10 min, indtil limen er ikke længere klistret.
    Bemærk: Limen må ikke røre vingen hængslet eller forvingen tegulae (Figur 2C).
  5. Obligation mesonotum til den vedhæftede fil.
  6. Hold møl tøjret før du placerer det inde i cockpittet af robotten. Hold den vedhæftede fil på et stativ og sætte et stykke papir under benene til at hvile Møl.

3. Insect-kontrollerede robot

  1. Design hardwaren i insekt-kontrollerede robot baseret på tidligere værker 16,17,19.
    Bemærk: insekt-robot består af en luft-støttet løbebånd med en optisk mus sensor til Capture insektet bevægelse, specialbyggede AVR-baserede mikrocontroller bestyrelser til forarbejdning og motorstyring, og to DC børsteløse motorer (figur 3 og 4). Robotten kan køre på grundlag af bolden rotation med 96% præcision eller højere, inden for en tidsforsinkelse på 200 msek. Det sikrer også, mobilitet maksimale kørehastighed (24,8 mm / sek) og vinkelhastighed (96,3 ° / sek) af silkmoth under feromon sporing adfærd 16. Luftstrømmen af løbebåndet (figur 5A) og lugt levering (figur 5B) er designet til den indbyggede møl til at gå glat på bolden og til at erhverve en lugt af to antenner. Luftindtaget og strømningskanal af løbebåndet er adskilt fra dem for den lugt leveringssystem for at undgå forurening af feromon.
  2. Design softwaren til de indbyggede mikrocontrollere baseret på tidligere værker 16.
    Bemærk: Den indbyggede mikrocontroller beregner than robotbevægelser fra insektet locomotion målt med en optisk sensor (roterende, Δ x, translationel, Δ y, figur 6). Den rejseafstand (Δ L) og drej vinkel (Δθ) per tidsenhed af robotten er beregnet på grundlag af rejseafstand af hvert hjul (venstre, Δ L L, højre, Δ L R) såsom Δ L = (Δ L L + Δ L R) / 2 og Δθ = (Δ L L - Δ L R) / D hjul, hvor D hjulet er afstanden mellem de to hjul (120 mm). Δ L L og Δ L R er yderligere beskrevet som Δ L L = Δ L x, L + Δ L y, L og Δ L R = Δ L x, R + Δ L y, R, hvor Δ L x, L </ sub> og Δ L x, R er køreafstande af hjulene på den venstre og højre side kontrolleres af Δ x, og Δ L y, L og Δ L y, R er dem kontrolleret af Δ y. Ideelt set Δ L x, L og Δ L x, R er beskrevet som Δ L x, L = -Δ L x, R = G Δ x (D hjul / D bold), og Δ L y, L og Δ L y , R er beskrevet som Δ L y, L = Δ L y, R = G Δ y, hvor G er motoren forstærkning og D bold er diameteren af kuglen (50 mm). I praksis er motoren gain indstilles uafhængigt af hver side (venstre eller højre hjul) og ved hver retning (fremad eller bagud rotation) for således at kalibrere robotten bevægelse. De uafhængige gevinster tillade yderligere forindstilling af asymmetrisk motorrotation at generere en drejning forspænding af robotten (se trin 6.1).
  3. Vask overfladen af ​​et hvidt ekspanderet polystyren kugle (masse: ca. 2 g; diameter: 50 mm) med vand for at fjerne eventuelle olfaktoriske eller visuelle signaler.
    Bemærk: Overfladen af en ny bold bør grov med fint sandpapir korn, såsom P400, hvilket sikrer grebet af benene på bolden.
  4. Tænd for blæseren, der leverer luft ved 9 V til løbebåndet og flyder bolden (figur 5A). Observere bolden flyde ca. 2 mm fra bunden af ​​bægeret.
  5. Ved hjælp af en skrue, vedhæfte kobbertråden af fastgørelsen med møl (se trin 2) til et fast punkt i cockpittet på robotten (se figur 3 indsat). Kontroller, at positionen af de midterste ben er i centrum af kuglen (figur 7A).
  6. Juster den lodrette position af den vedhæftede fil for at gøre det muligt for møl til at gå normalt på balle. Hold bolden i samme højde før og efter fastgørelse af møl (figur 7B).
    Bemærk: En for-lav position af fastgørelsen tilføjer pres på møl og fremkalder baglæns walking at modstå tryk (fig 7C), hvorimod en for høj position forårsager ustabil walking og svigt i sensoren grund af ændringer i den lodrette position af bolden (figur 7D). For at kontrollere normal gang adfærd, er en enkelt-kvældet feromon stimulus bruges til at udløse gå i møl (for feromon stimulus, se trin 4). Bemærk, at testen stimulus skal være minimal, fordi tidligere eksponering for bombykol habituates silkmoths og reducerer deres følsomhed (Matsuyama og Kanzaki, upubliceret data).

4. Lugt Source Forberedelse

Bemærk: Mand B. mori er følsomme over for den vigtigste del af den conspecifikt kvindelige køn feromon (bombykol: (E, Z) -10,12-hexadecadien-1-ol)

  1. Drop 10 pi af bombykol opløsning opløst i n-hexan (200 ng / pl) på et stykke filtrerpapir (ca. 10 mm x 10 mm). Mængden af ​​bombykol pr stykke filtrerpapir er 2000 ng.
    Bemærk: For at kontrollere normal gang opførsel af møl, udarbejde en feromon stimulus patron i dette trin. Patronen er en glas Pasteur-pipette med et stykke filterpapir indeholdende 2.000 ng bombykol. Skubbe en pære puster den luft, der indeholder bombykol.

5. Lugt Source Localization Experiment

  1. Tænd for fan af en trække-luft-typen vindtunnel (1800 × 900 × 300 mm, L × B × H, figur 8) og indstille vindhastigheden til 0,7 m / sek. Sørg for, at temperaturen er over 20 ° C.
  2. Indstil lugt kilde (pIECE filtrerpapir indeholdende bombykol) opstrøms for vindtunnel.
    Bemærk: plume bredde bør bekræftes før forsøget ved hjælp TiCI4 17,19.
  3. Tænd for mikrocontroller bestyrelsen for robotten og etablere en seriel forbindelse til en pc via Bluetooth.
  4. Start et skræddersyet Java program kaldet "biosignal", som giver en grænseflade mellem pc'en og robotten.
    Bemærk: Hovedvinduet indeholder knapper til at sende kommandoer til robotten, tekst vinduer for visning af input og output af seriel kommunikation, og små kasser til at konfigurere parametre. De efterfølgende kommandoer bliver sendt ved at klikke på tilsvarende knapper i dette program, bortset fra video fanger.
  5. Klik på knappen "om enhed" for at bekræfte forbindelsen ved at sende en kommando til robotten via den angivne COM-port og kontrollere, at en meddelelse returneres af robotten.
  6. Klik på "memory erase "knappen for at slette tidligere bevægelseskomponenter data tilbage på den indbyggede flash-hukommelse.
  7. Klik på "drivemode1" knappen for at sende standard motor gevinster til robotten.
    Bemærk: De manipulationer af de motoriske gevinster og tidsforsinkelsen mellem insekt bevægelse og robot bevægelse anvendes efter dette trin (se trin 6.1 og 6.3, figur 9).
  8. Klik på knappen "ikke drev" for at sende en kommando til at immobilisere robotten indtil forsøget starter.
  9. Sæt robotten i en startposition (600 mm nedstrøms fra lugt kilde) og tænd for kontakten på motor driver bord.
  10. Skub optagelse knappen på camcorderen for at starte videooptagelse.
  11. Klik på "rec start" knappen for at sende en startkommando at indlede robot med en samtidig optagelse af kuglen rotation på den indbyggede flash-hukommelse. Bemærk at robotten begynder at bevæge sig og sporer lugt røgfanen.
  12. Klik på"Rec stop" og "ikke drev" til at sende kommandoer til at stoppe både robotten bevægelse og optagelsen hvis robotten lokaliserer lugt kilde.
  13. Skub optagelse knappen på camcorderen for at stoppe videooptagelse.
  14. Hent indspillede bevægelseskomponenter data fra den indbyggede flash-hukommelse til computeren via en seriel forbindelse. Lukke programmet.

6. Manipulation af Insect-robot

Bemærk: Timingen af hver manipulation er angivet i figur 9.

  1. Manipulation af motordrevne gevinster
    Bemærk: Denne manipulation ændrer den translationelle og rotationshastighed af robotten. Asymmetrisk motordrevne gevinster generere en drejning bias, som kan anvendes til at undersøge, hvordan insekter kompensere for skævhed 17.
    1. Definer det drejelige gevinster for forlæns og baglæns rotation af motoren på hver side 17 (figur 6B) efter redigering the konfiguration fil med navnet "param2.txt" ved hjælp af en teksteditor.
    2. Klik på "sæt param2" for at læse den redigerede konfigurationsfil i softwareprogrammet. Klik derefter på "drivemode2" for at sende de manipulerede gevinster til robotten.
  2. Inversion af motoren output
    Bemærk: Denne manipulation tilvejebringer en tilstand magen til inversion af bilaterale olfaktoriske input (se trin 6.4) og kan anvendes til at undersøge betydningen af bilaterale olfaction. Men inversion af motorens output inverterer også selvforskyldt visuel bevægelse af en onboard møl. Virkningen af den omvendte selvforskyldt visuelt input kan vurderes ved en sammenligning med den omvendte olfaktoriske input 19.
    1. Vend bilaterale motorstyring ved at krydse styrekablerne for hver motor.
  3. Manipulation af tidsforsinkelsen mellem insekt bevægelse og robot bevægelse.
    Bemærk: Denne manipulationgiver mulighed for undersøgelse af den acceptable periode af tid brugt til sensorisk-motorisk behandling til den robot lugt-tracking. Den microcontroller gemmer bevægelseskomponenter data på en buffer-hukommelse og behandler dem derefter efter den angivne tidsforsinkelse. Bemærk, at robotten har en maksimal indre tidsforsinkelse på 200 msek; Derfor forventes det faktiske tidsforsinkelse for at være den specificerede tidsforsinkelse plus 200 msek 16,17.
    1. Indtast et nummer (0-10) i en lille boks i hovedvinduet til at angive en tidsforsinkelse fra 0-1,000 msek ved 100 ms trin.
    2. Klik på "sæt forsinkelse" knappen for at anvende tidsforsinkelsen.
  4. Manipulation af det olfaktoriske input.
    Bemærk: Denne manipulation kan anvendes til at undersøge betydningen af bilaterale olfaktoriske input. Den bølge retning silkmoths er forudindtaget på den højere koncentration side 22.
    1. Skift kløften mellem sugerøret tips eller invertsukker deres positioner til at ændreforskel i lugt koncentration erhvervet af hver antenne.
  5. Manipulation af visuelt input
    Bemærk: Denne manipulation er at undersøge den rolle, som visuelt input for lugt-tracking.
    1. Dæk baldakin med et hvidt papir, der okkluderer 105 ° og 90 ° i den horisontale og vertikale synsfelt af den indbyggede møl, hhv.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Vi præsenterer her de grundlæggende karakteristika af insekt-robot kræves for en vellykket lokalisering af en lugt kilde. Sammenligningen mellem robotten og silkmoths, effektiviteten af ​​lugt delivery system, og betydningen af ​​præcise bilateral olfaktoriske og visuelle inputs undersøges.

Sammenligningen af lugt-sporing adfærd mellem frit-walking møl og insektet-robot er vist i figur 10A og B. Under de samme lugt omstændigheder, både walking møl og robotterne scorede succesrater på 100% (går møl, 10 forsøg med N = 10 møl, robot, 7 forsøg med N = 7 møl). Selvom robotten udviste bredere baner sammenlignet med dem for de walking møl, var der ingen signifikant forskel i tiden til lokalisering mellem de walking møl og robotten (P2; 0,05, Wilcoxon rank sum test; møl, median = 46,5 sek, IQR = 36,7, 69,6; robot, median = 48,1 sek, IQR = 44,9, 61,9).

Lugten leveringssystem (figur 5B) er nødvendig til tilførsel lugtstoffet strømning nær gulvet til antenner af den indbyggede møl placeret 90 mm over gulvet. Uden dette system (sugeslanger, ventilatorer, og baldakin), kunne robotten ikke orientere mod lugt kilden og fortsatte kredser indtil det stoppede (alle 10 forsøg med N = 5 møl mislykkedes, figur 10C). Ifølge programmeret silkmoth adfærd, kontinuerlig kredser er en typisk adfærd, når en silkmoth undlader at kontakte feromon under orienteringen 21,22.

Figur 11 viser repræsentative resultater, som viser manipulationer af robotten. Effektiviteten af ​​en bilateral olfaktoriske input til lugt-sporing blev evaluated ved at ændre placeringen af ​​røret spidser (trin 6.4) eller ved at vende motorens udgang (trin 6.2). Robotten opnået succesrater på 100% med to forskellige huller mellem venstre og højre rør (bred kløft [kontrol], 90 mm, 10 forsøg med N = 10 møl, smal kløft, 20 mm, 10 forsøg med N = 10 møl; Figur 11A, B), og der var ingen signifikant forskel i tid til lokalisering mellem disse to rør positioner (P> 0,05, Steel test, figur 11E). På den anden side, at den omvendte rør tips (hver antenne modtages lugtstoffet fra den kontralaterale side, rør hul = 90 mm) udvidet baner langs sidevind retning og let øget medianen af ​​tid til lokalisering, selv om der ikke var nogen signifikant forskel ( P> 0,05, Stål test, figur 11C, E). Den inversion af motorisk output giver en lignende situation som den omvendte olfactory input; Endvidere inverterer også selvforskyldt visuel bevægelse modtaget af den indbyggede møl. På grund af den inverterede negativ visuel feedback (dvs. positiv feedback), robotten fortsatte cirkelbevægelser, selv i lugt røgfanen (figur 11D), som i væsentlig grad forlænget tid til lokalisering (P <0,01, Steel test, figur 11E). De succesrater for den omvendte olfaktoriske input (C) og den inverterede motor output (D) var 80% (10 forsøg med N = 10 møl) og 90,9% (11 forsøg med 11 møl), hhv. En detaljeret diskussion af sensorisk-motorisk kontrol i silkmoths er beskrevet i det tidligere arbejde 19.

figur 1
Figur 1. Lagring af silkmoth pupper. (A) Mand pupper lagres i en plastboks (venstre). De voksne møl holde pappet omkring den indre væg af box under eclosion (til højre). (B) Sex aftegninger af pupper. Hver pil angiver en lille plet på den ventrale side af niende abdominal segment af han- og et "X" mark med en fin, langsgående linie på den ventrale side af den ottende abdominal segment af den kvindelige. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2
Figur 2. netdeling en silkmoth. (A) Fremstilling af en vedhæftet fil til tethering en silkmoth. De tre trin er beskrevet i 2.1.1 til 2.1.3 (se tekst). En to-fold strimmel af tyndt plastfolie blev fastgjort ved spidsen af kobbertråd, som absorberer den dorsale-ventrale bevægelse (se figur 2B) af mesonotum under gang. Den anden, buet spids af tråden er for handling. (B) Højere og lavere holdninger af en silkmoth under feromon sporing (se vinklen mellem femur og tibia af forbenene [pilene]). (C) Fjernelse af skæl på mesonotum (angivet med pilespidser). De venstre og højre billeder viser før og efter fjernelse af skalaer, hhv. Forvingen tegulae var intakte (omgivet af stiplede linjer). Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3
Figur 3. Insect-robot. Det indsatte viser en forstørrelse af cockpittet. (1) En tøjret silkmoth på et løbebånd (en luft-støttede bold, se indsat), (2) to blæsere til at levere en lugt til møl (lufthastigheden, 0,5 m / sek), (3) sugeslanger til at tage lugt, (4) jævnstrømsmotorer og wheels, (5) mikrocontroller boards, (6) et luftindtag for at levere luft til bolden, (7) sporing markører for offline video analyser, (8) to lysdioder til at holde konstant belysning i cockpittet (280 lx), (9 ) en vedhæftet fil til tethering på silkmoth, og (10) et armatur af den vedhæftede fil. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4
Figur 4. Hardware diagram. Rotationen af ​​luft-støttede bold i løbebåndet blev målt ved en optisk mus sensor med en opløsning på 0,254 mm ved en sampling rate på 1,5 kHz. De microcontrollere beregnede bane af silkmoth fra sensoren output og kontrolleret to DC-motorer på venstre og højre side. Motorerne blev drevet af puls-bredde modulation ved 1 kHz, med tilbagemeldingfra indbyggede Hall-sensorer. Den optiske sensor output (dvs. adfærd ombord møl) blev gemt på en onboard flash-hukommelse (8 Mbit) med en sampling på 5 Hz. Disse data blev anvendt til at sammenligne adfærd ombord møl med robot bevægelser. Den trådløse kommunikation mellem en computer (PC) og robotten blev opnået via Bluetooth, der kun blev brugt til at sende kommandoer til start og stop af robotten, eller at manipulere de motoriske egenskaber af robotten. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5
Figur 5. Airflow design til løbebåndet og lugt levering system. (A) Airflow at støtte bolden af løbebåndet. Luften blev taget fra luftindtaget bag cockpittet af en blæser fan; det derefter ledt gennem en kanal og blæste ud fra små huller (1 mm i diameter) på en skræddersyet FRP bæger (indsat). Den oven af ​​koppen omgivet af et rødt rektangel, er vist i det indsatte. Røde pile angiver luftstrømmen; den hvide pil, den optiske sensor med en LED senderen; og den sorte pil, koppen med små huller. (B) Luftstrømmen af lugten leveringssystem. Luften indeholdende feromon blev suget fra spidsen af ​​en fleksibel polyethylenrør på hver side, adskilt med en skillevæg i baldakin, og leveret til antennen på den ipsilaterale side. Luftstrømmen på hver side er angivet med røde eller blå pile. Dette tal er blevet ændret fra Ando og Kanzaki 19. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 6
Figur 6. Beregning af robotten bevægelsen fra insekt bevægelse. (A) En skematisk tegning af robotten (Δ L) og hjul bevægelser (venstre, Δ L L og højre, Δ L R). Δθ drejes vinklen af ​​robotten. (B) Parametre til beregning. Δ x og Δ y repræsenterer de rotations- og translationelle bevægelser af en kugle (en positiv værdi angiver uret eller fremad); D bold, diameteren af kuglen; U-hjul, er afstanden mellem hjul; G FW, L og G BW, L, motoriske gevinster på fremad (FW) eller tilbage (BW) rotation af det venstre hjul (L); G FW, R og G BW, R, motoriske gevinster på frem eller tilbage rotation af højre hjul (R). Klik hendee for et større version af denne figur.

Figur 7
Figur 7. Justering af positionen af et forankret møl på løbebånd. (A) fra siden af et forankret møl på en bold. De midterste ben skal placeres på toppen af ​​kuglen (sort pil). (B) Den passende lodrette position møl. Den optiske sensor bag møl vender mod midten af ​​bolden. Normal fremad gå roterer bolden med uret (set fra venstre side). (C) Den lodrette position er for lav (pil ned). Den silkmoth udvider forbenene til at modstå det pres og roterer bolden tilbage (mod uret rotation). (D) Den lodrette position er for høj (opad pil). Den møl holder bolden og løfter den op. Selvom Møl kan udføre fremad gå i denne situation 23 Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 8
Figur 8. Vindtunnel. Luften blev filtreret med et panel (rød pil); det derefter ind optagelsen område et videokamera, 1500 (L) × 900 (W) mm. Lugten kilde blev anbragt opstrøms for optageområdet og feromon-forurenet luft blev opbrugt uden for ved en ventilator (blå pil). Vindtunnel var lavet af ekstruderet polystyrenskum. Loftet var en transparent akryl plader, og ordet var en gummimåtte for at undgå at glide af robotten hjul. Lugt kilde wsom er placeret i midten af ​​den sidevind position og 250 mm i vindretningen fra panel. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 9
Figur 9. tidsindstillinger af manipulationer af robotten i protokollen. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 10
Figur 10. Lugt kilde lokalisering test. Hvert panel viser baner af silkmoths (A; 10 forsøg med N = 10 møl, data fra Ando et al 17.), Insektet robot ( N = 7 møl), og robotten uden lugt leveringssystem (C; 10 forsøg med N = 5 møl). De møl eller robotten startede 600 mm vindretningen (pilespids) fra en lugt kilde (cross mark, et stykke filtrerpapir, der indeholder 2.000 ng bombykol). Forsøgene med den korteste eller den længste tid, det tager for lokalisering er angivet som røde og blå linjer, henholdsvis. De andre vellykkede forsøg er farvet grå, og mislykkede forsøg er grønne. En cirkel angiver målfeltet for at dømme succes i lokalisering. Radius af målfeltet blev defineret på basis af størrelsen af robotten, der svarer til den tætteste afstand mellem onboard møl og lugt kilde 17. En pil angiver vindretningen (vindhastighed: 0,7 m / sek), og stiplede linjer angiver grænserne for feromon røgfanen. Klik her for at se et størreversion af denne figur.

Figur 11
Figur 11. Manipulation af olfaktoriske input og motorudgangen. Hvert panel viser vellykket baner robotten (positionen af onboard møl) med en bred-rør spalte (A, kontrol, 90 mm, succes i alle 10 forsøg med N = 10 møl), en smal spalte (B; 20 mm , succes i alle 10 forsøg med N = 10 møl), en omvendt wide-rør spalte (C; succes i 8 ud af 10 forsøg, n = 10 møl), og en bred-rør gap med inverteret motorydelse (D; succes i 10 af 11 forsøg, n = 11 møl). De gentagne luft pust gennem et stykke filtrerpapir, der indeholder 2.000 ng bombykol blev løsladt fra korset mærket. De grå og hvide pile med robotten angiver retningslinjerne i bilateral olfaktoriske input og motoR output. Den anden forsøgsbetingelser og figur beskrivelser er de samme som i figur 10. (E) Tid til lokalisering af robotten under de fire betingelser (AD). Individuelle data er sammenfattet i en kasse plot. Den venstre og højre side af boksen angiver første og tredje kvartil, og baren repræsenterer medianen. De whiskers angiver 1,5 × interkvartile område. Stjerner angiver en signifikant forskel fra kontrol data (A), ifølge Steel test (** P <0,01). Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

De vigtigste punkter for en vellykket styring af robotten ved en silkmoth lader Møl gå problemfrit på luft-støttede bold og stabilt måling bolden rotation. Derfor tøjring af silkmoth og montere den på bolden på det rette position er de kritiske skridt i denne protokol. Uhensigtsmæssig vedhæftning af møl til den vedhæftede fil eller uhensigtsmæssig placering af møl på bolden vil forårsage unaturlige pres på det, der forstyrrer den normale walking adfærd og / eller forårsager en fejl i den optiske sensor til at måle bolden rotation. Opruning af polystyren kugle er også vigtigt at forhindre møl i at glide. Den bevægelse af tøjret møl i respons til lugt stimuli og den efterfølgende robot bevægelse bør nøje kontrolleres før lugten-tracking test (se trin 3.6).

Anvendelsen af ​​et større kugle er bedre, fordi det nedsætter krumningen af ​​løbebåndet, hvilket giver en næstenfladt plan for de insekt ben. Bolden 50-mm diameter bruges her er relativt lille sammenlignet med den, der anvendes i den konventionelle trædemølle setup for silkmoths (diameter: 75 mm) 24. Dog skal en større (og tungere) bold anvendes med forsigtighed, fordi inertien af ​​bolden er ikke ubetydelig i robot bevægelser. Hvis en onboard møl ikke kan begrænse den inerti-force-induceret rotation af en bold i løbet af robot bevægelser i sine ben, robotten svinger kontinuerligt uden walking af møl. Når eksperimentatorer overveje brugen af ​​andre insektarter derfor bør vælges bolden størrelse på grundlag af styrken af ​​deres ben greb samt deres størrelser. Under lugt kilde lokalisering, bør eksperimentatorer også kontrollere adfærd møl-, om en onboard møl går glat på bolden og robotten hurtigt reagerer som møl bevæger sig. Den silkmoth udviser baglæns gå, når den modtager for meget pres fra den vedhæftede fil (et for-lav position, se figur 5B). Dårlig reaktionsevne robotten til insekt bevægelse skyldes uhensigtsmæssig bold position eller udtømning af batterierne (batterierne holder i ca 30 min).

Begrænsningen af ​​insekt-robot er, at ombord møl afgjort ligger under unaturlige forhold. Løbebåndet, lugt delivery system, og 90-mm højde af cockpittet giver forskellige sensoriske information (mechanosensory, olfaktoriske, og visuel) fra dem, der erhverves ved frit-walking møl. Disse forskelle blev indlysende, når vi sammenlignede adfærd af insektet-robot med de frit-walking silkmoths. For eksempel selvom blev observeret den samme ydelse til lugt kilde lokalisering mellem robotten og frit-walking silkmoths, de baner robot blev sparse langs sidevind retning, hvorimod de af frit-walking silkmoths konvergeret som de nåede lugt kilde, ifølge faldet i fanens bredde (figur 10A, B). Denne forskel er simpelthen på grund af de forskellige størrelser af robotten og møl. Især afstanden mellem onboard møl og røret spids bestemmer intervallet for søgning lugtstoffer; derfor større afstand (robot: 100 mm; møl: ca. 10 mm fra brystkassen til antennen spids) gøre det muligt for robotten at aktivere selv uden for røgfanen. Endvidere kan møl i baldakin ikke modtage vindretningen fra det ydre miljø. Selvom betydningen af vindretningen for lugt-sporing er endnu ikke fastlagt i silkmoths 22, brugen af strømretningen er en grundlæggende strategi for lugt-tracking i andre organismer 5,6. På grund af den pålagte luftstrøm genereres af lugt afgivelsessystem, er det også vanskeligtat tage højde for "aktiv sansning," såsom effekten af fløj flagrende der genererer luftstrøm og letter lugt modtagelse i silkmoths 25. På grund af disse begrænsninger, hvis eksperimentatorer anvender denne teknik til at undersøge brugen af flere modaliteter, det bør drøftes, om de er opnået ved disse robot eksperimenter resultater kan anvendes til intakte insekter i naturlige forhold 19.

Den insekt-robot opfyldte tre krav til evaluering af lugt-sporing evne insekter: 1) direkte interfacing af insekt motor kommandoer til robotstyring, 2) afprøvning i en reel lugt fane, og 3) at tillade manipulation af insektets sensorisk-motoriske system. Første angår grænsefladen mellem et insekt og en robot, anvendelse af neurale signaler til styring af en robot, såsom en hjerne-maskine 26, er en alternativ teknik. Adskillige undersøgelser af insekter bruger neurale signaler eller electromyograms for samarbejdentrol af en robot og lukket feedback-sløjfer 27-30. Men denne tilgang kræver, afkodning af neurale signaler at udtrække meningsfulde motoriske kommandoer, hvilket er en vigtig og igangværende forskning emne i neurovidenskab. Derfor er brugen af ​​faktiske walking adfærd insekter til robotstyring er en direkte og enkel måde at interface insekt motoriske kommandoer til en robot. Andet angår det miljø, hvor robotten opfører sig, vil brugen af virtual reality være et alternativ 13,31-33. Virtual reality kan vi udføre adfærdsmæssige eksperimenter under mere kontrollerede forhold, og er mest succesfulde i studiet af vision, hvor luften-støttede løbebånd har været brugt til at spore dyr bevægelse og generering af visuelle forhold 24,34-36. Men lukke feedback loop af olfaktoriske oplysninger er teknisk vanskeligt, fordi det kræver præcis flow kontrol. Selvom anvendelsen af ​​optogenetics at aktivere olfaktoriske receptor neurons 37-40 vil overvinde de begrænsninger af virtual reality i lugtesansen, ville anvendelsen af en mobil robot i en rigtig lugt fjerbusk være en pålidelig måde at etablere en lugtesansen lukket sløjfe på nuværende tidspunkt. Endelig med hensyn til manipulation af et insekt er sensorisk-motoriske system, ville alternative tilgange være kirurgiske manipulationer af insekter (dvs. skæring eller dækker sanseorganer eller vedhæng 41). Men vores robot manipulation (trin 6 og figur 11) er en ikke-invasiv og reversibel måde at ændre den sensoriske-motoriske system insekter, opnås ved manipulation af robotten platform 19, og kontrollerbarhed af forskellige parametre af robotten muliggør os for at teste dens ydeevne under forskellige omstændigheder.

Den insekt-robot har to store retninger for fremtidige ansøgninger. Den første retning er for engineering. Som en selvstændig robot styres af insekt sanse-motoriske system, på insect-robot vil være en reference for mobile robotter implementeret med biologiske modeller, der spænder fra forenklede Braitenberg køretøjer 42 til store neurale netværk. Den insekt-robot vil også være en nyttig platform for afprøvning af mulige kombinationer af andre modaliteter med insekt lugt-sporing, som gennemførelsen af ​​et kamera og en algoritme til at undgå kollisioner at udforske kollision-fri lugt-sporing algoritmer. Endvidere kan finjustering af robotten egenskaber forbedre lugt-tracking ydeevne bedre end intakte insekter. En sådan oversættelse af insekt kapacitet kan føre til den praktiske anvendelse af denne robot selv for at finde farlige materialer, hvis vi efterligne de transgene silkmoths 43, der reagerer på karakteristiske kemikalier i et målmateriale. På den anden side vil den insekt-kontrollerede robot også rejse et vigtigt spørgsmål: Hvordan skal vi bruge biomimetiske algoritmer til robot applikationer, der rækker ud over den diffeærbødighed mellem insekter og robotter? For eksempel, insekt olfaktoriske receptorer har en enestående evne til at tilegne høj hastighed tidsmæssige dynamik lugt koncentration 44-46, som er ansvarlig for insekt olfaktoriske behandling og lugt kilde lokalisering, men er langt ud over mulighederne i konventionelle gas sensorer 4,29, 47. Sådan ændre biomimetiske algoritme til at opfylde den sensoriske evne robotter bør også undersøges som en fremtidig retning. Den anden store retning er absolut for biologi. Insektet-robot kan betragtes som et lukket kredsløb eksperimentel platform. Desuden robot manipulation, en ikke-invasiv måde at ændre insektets sensorisk-motorisk forhold, vil blive yderligere anvendes til at undersøge, hvordan det lille insekt hjernen kan reagere, lære og tilpasse sig nye forhold.

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).
Insekt-kontrollerede robot: Et mobilt Robot Platform at evaluere Lugt-sporing Mulighed for et insekt
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

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