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Neuroscience

Robot Insect-controllato: una piattaforma mobile Robot per valutare la capacità odore-tracking di un insetto

doi: 10.3791/54802 Published: December 19, 2016

Summary

La capacità di localizzare una fonte di odore è necessario per la sopravvivenza degli insetti e dovrebbe essere applicabile a artificiale odore-tracking. Il robot insetto controllato è azionato da un silkmoth reale e permette di valutare la capacità di odore-tracking di insetti attraverso una piattaforma robotica.

Protocol

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1. sperimentali animali

  1. Preparare una scatola di plastica per mantenere le pupe di silkmoths maschi (B. mori) fino alla loro eclosion. Asciugamani mettere la carta in basso e pezzi di cartone intorno alla parete interna della scatola (Figura 1A).
    Nota: I pezzi di cartone sono necessarie per le falene adulte per tenere mentre si estende le ali durante eclosion (Figura 1A).
  2. Mettere silkmoth maschio (Bombyx mor i) pupe nella casella e tenerli in un incubatore fino eclosion sotto di 16 ore: la luce di 8 ore: ciclo di buio a 25 ° C.
    NOTA: Il maschio e la femmina pupe possono essere discriminati dalle marcature sesso sull'addome (Figura 1B).
  3. Raccogliere falene maschi adulti dopo eclosion e spostarli in una nuova scatola.
  4. Tenere le falene adulte in un incubatore con un 16-hr: luce di 8 ore: ciclo scuro e diminuire la temperatura a 15 ° C per ridurre la loro attività prima dell'esperimento.

2. Tethering un Silkmoth

  1. Realizzazione di un attacco per tethering (Figura 2A)
    Nota: Il fissaggio è costituito da un filo di rame con una striscia di un sottile foglio di plastica in punta. Ciò garantisce il movimento dorso-ventrale del torace durante la deambulazione (Figura 2B).
    1. Preparare una striscia di un sottile foglio di plastica, 2 × 40 mm (spessore: 0,1 mm), e piegarlo a metà.
    2. Fissare la striscia ripiegata alla punta di un filo di rame con un adesivo.
    3. Piegate la punta della striscia piegata a cui è collegato il torace di un silkmoth.
  2. Utilizzare falene adulte (2-8 giorni) durante il periodo di luce per l'esperimento.
    Nota: La sensibilità al feromone dipende fortemente l'orologio circadiano 18. Perché B. mori è un lepidottero diurno, l'esperimento deve essere eseguita durante il periodo di luce.
  3. Rimuovere delicatamente tutte le scale sul dorsal torace (mesonoto) con un pezzo di tessuto bagnato (o un batuffolo di cotone) ed esporre la cuticola del mesonoto (Figura 2C).
  4. Incollare un adesivo sulla striscia di plastica sulla attaccamento e sulla superficie del mesonoto esposta con un piccolo cacciavite a lama piatta e attendere 5-10 minuti finché l'adesivo non è più appiccicoso.
    Nota: L'adesivo non deve toccare la cerniera ala o la tegulae forewing (Figura 2C).
  5. Legare la mesonoto per l'allegato.
  6. Mantenere la falena legato prima di inserirlo all'interno della cabina di pilotaggio del robot. Tenere il fissaggio su un supporto e mettere un pezzo di carta sotto le gambe di riposare la falena.

3. Robot Insect-controllato

  1. Progettare l'hardware del robot insetto controllato sulla base di lavori precedenti 16,17,19.
    Nota: Il robot insetto controllato costituito da un tapis roulant gonfiabile con un sensore ottico mouse per Capture l'insetto locomozione, schede a microcontrollore AVR basato personalizzate per elaborazione e controllo del motore, e due motori brushless DC (Figure 3 e 4). Il robot può essere eseguito sulla base della rotazione palla 96% precisione o superiore, entro un intervallo di tempo di 200 msec. Esso assicura anche la mobilità di massima velocità di avanzamento (24.8 mm / sec) e la velocità angolare (96,3 ° / sec) della silkmoth durante feromone comportamento di inseguimento 16. Il flusso d'aria del tapis roulant (Figura 5A) e sistema di erogazione degli odori (Figura 5B) sono progettati per la falena a bordo di camminare agevolmente sulla palla e di acquisire un odore da due antenne. Il canale di aspirazione e il flusso del tapis roulant è separato da quelli del sistema di erogazione odore per evitare la contaminazione del feromone.
  2. Progettare il software per i microcontrollori a bordo sulla base di lavori precedenti 16.
    Nota: Il microcontrollore a bordo calcola tegli movimenti del robot della locomozione insetto misurata con un sensore ottico (rotazionale, Δ x; traslazionale, Δ y; figura 6). La distanza percorsa (Δ L) e ruotare angolo (Δθ) per unità di tempo del robot sono calcolati sulla base della distanza percorsa di ciascuna ruota (sinistra, Δ L L; destra, Δ L R) come Δ L = (Δ L L + Δ L R) / 2 e Δθ = (Δ L L - Δ L R) / rotella D, dove ruota D è la distanza tra le due ruote (120 mm). Δ L L e Δ L R sono ulteriormente descritti come Δ L L = Δ L x, L + Δ L y, L e Δ L R = Δ L x, R + Y, R, dove Δ L x, L <Δ L/ sub> e Δ L x, R sono le distanze di viaggio delle ruote sui lati sinistro e destro controllati da Δ x e Δ L y, L e Δ L y, R sono quelle controllate dalla Δ y. Idealmente, Δ L x, L e Δ L x, R sono descritti come Δ L x, L = -Δ L x, R = G Δ x (ruota D / D palla), e Δ L y, L e Δ L y , R sono descritti come Δ L y, L = Δ L y, R = G Δ y, dove G è il guadagno del motore e palla D è il diametro della sfera (50 mm). In pratica, il guadagno motore viene impostata indipendentemente da ciascun lato (ruota sinistra o destra) e ciascuna direzione (rotazione in avanti o indietro) per calibrare il movimento del robot. I guadagni indipendenti ulteriormente consentono laimpostazione di rotazione del motore asimmetrica per generare una polarizzazione rotazione del robot (vedere la fase 6.1).
  3. Lavare la superficie di una sfera bianca polistirolo espanso (massa: circa 2 g, diametro: 50 mm) con acqua per rimuovere eventuali stimoli olfattivi e visivi.
    Nota: La superficie di una nuova palla deve essere sgrossato con grana carta vetrata, come P400, che garantisce la presa delle gambe sulla palla.
  4. Accendere il ventilatore che fornisce aria a 9 V al tapis roulant e galleggia la palla (Figura 5A). Osservare la sfera galleggiante di circa 2 mm dal fondo della tazza.
  5. Utilizzando una vite, collegare il filo del l'allegato con la falena di rame (vedi punto 2) per un appuntamento fisso nella cabina di guida del robot (vedi figura 3 nel riquadro). Assicurarsi che la posizione delle gambe medio è al centro della sfera (Figura 7A).
  6. Regolare la posizione verticale dell'attacco per consentire la falena di camminare normalmente sulla btutti. Mantenere la palla alla stessa altezza prima e dopo aver collegato la falena (Figura 7B).
    Nota: Una posizione troppo basso dell'attacco aggiunge pressione sul tignola e suscita passi all'indietro per resistere alla pressione (figura 7C), mentre una posizione troppo elevata provoca piedi instabile e guasti del sensore a causa di cambiamenti nella posizione verticale la sfera (figura 7D). Per controllare il normale comportamento di camminare, un single-soffiato stimolo feromone viene utilizzato per attivare camminare nella falena (per lo stimolo feromone, vedi punto 4). Si noti che lo stimolo test deve essere minimo perché una precedente esposizione a bombykol abitua silkmoths e diminuisce la loro sensibilità (Matsuyama e Kanzaki, dati non pubblicati).

4. Preparazione Fonte Odore

Nota: Maschio B. mori sono sensibili alla componente principale del feromone sessuale femminile conspecifici (bombykol: (E, Z) -10,12-hexadecadien-1-olo)

  1. Goccia 10 ml di soluzione bombykol sciolto in n-esano (200 ng / ml) su un pezzo di carta da filtro (circa 10 mm x 10 mm). La quantità di bombykol per pezzo di carta da filtro è 2,000 ng.
    Nota: Per controllare il normale comportamento piedi della falena, preparare una cartuccia feromone di stimolo in questa fase. La cartuccia è una pipetta Pasteur di vetro con un pezzo di carta da filtro contenente 2.000 ng di bombykol. Spingendo una lampadina gonfia la bombykol aria contenente.

5. Odore Fonte localizzazione Experiment

  1. Accendere il ventilatore di una galleria del vento che tira aria-tipo (1.800 × 900 × 300 mm, L x W x H; Figura 8) e impostare la velocità del vento di 0,7 m / sec. Assicurarsi che la temperatura è superiore a 20 ° C.
  2. Impostare la fonte degli odori (il pIECE di carta da filtro contenente bombykol) a monte della galleria del vento.
    Nota: La larghezza pennacchio dovrebbe essere confermato prima dell'esperimento utilizzando TiCl 4 17,19.
  3. Accendere il bordo microcontrollore del robot e stabilire una connessione seriale ad un PC via Bluetooth.
  4. Avviare un programma Java su misura denominata "Biosignal", che fornisce un'interfaccia tra il PC e il robot.
    Nota: La finestra principale comprende pulsanti per l'invio di comandi al robot, finestre di testo per la visualizzazione l'ingresso e l'uscita della comunicazione seriale, e piccole scatole per configurare i parametri. I comandi successivi vengono inviati facendo clic sui pulsanti corrispondenti in questo programma, tranne che per la cattura video.
  5. Fare clic sul pulsante "Info sul dispositivo" per confermare la connessione con l'invio di un comando al robot tramite la porta COM specificata e controllare che un messaggio viene restituito dal robot.
  6. Clicca su "memory erase pulsante "per cancellare i dati precedenti locomozione lasciato nella memoria flash integrata.
  7. Fare clic sul pulsante "drivemode1" per inviare i guadagni del motore di default al robot.
    Nota: Le manipolazioni dei guadagni motore e l'intervallo di tempo tra la locomozione insetti e movimento del robot vengono applicati dopo questo passaggio (vedere i passi 6.1 e 6.3, figura 9).
  8. Fare clic sul pulsante "non guidare" per inviare un comando per immobilizzare il robot fino a quando l'esperimento si avvia.
  9. Mettere il robot in una posizione di partenza (600 mm a valle della sorgente di odore) e accendere l'interruttore del bordo di driver del motore.
  10. Premere il pulsante di registrazione della videocamera per avviare la cattura video.
  11. Fare clic sul pulsante "Start rec" per inviare un comando di avvio per avviare il robot con una registrazione simultanea della rotazione palla sulla memoria flash integrata. Si osservi che il robot inizia a muoversi e tiene traccia del pennacchio odore.
  12. Clicca sul"STOP REC" e "non guidare" i pulsanti per inviare comandi per fermare sia il movimento del robot e la registrazione se il robot localizza la fonte dell'odore.
  13. Premere il pulsante di registrazione della videocamera per fermare la cattura video.
  14. Scarica i dati registrati locomozione dalla memoria flash integrata al computer tramite una connessione seriale. Chiudi il programma.

6. La manipolazione del robot dell'insetto controllata

Nota: I tempi di ogni manipolazione è indicato in figura 9.

  1. La manipolazione dei guadagni a motore
    Nota: Questa manipolazione altera la velocità di traslazione e di rotazione del robot. Guadagni motore asimmetrici generare una polarizzazione rotazione, che può essere usato per studiare come insetti compensare la polarizzazione 17.
    1. Definire i guadagni di rotazione per la rotazione in avanti e all'indietro del motore su ogni lato 17 (Figura 6B) modificando °file di posta di configurazione chiamato "param2.txt" utilizzando un editor di testo.
    2. Clicca su "param2 set" per leggere il file di configurazione modificato nel programma software. Quindi, fare clic sul "drivemode2" per inviare i guadagni manipolati per il robot.
  2. Inversione dell'uscita del motore
    Nota: Questa manipolazione fornisce una condizione simile a l'inversione dell'ingresso olfattivo bilaterale (vedi passo 6.4) e può essere utilizzato per indagare il significato dell'olfatto bilaterale. Tuttavia, l'inversione di uscita motore inverte anche autoindotta movimento visivo di una falena bordo. L'impatto del input visivo autoindotto rovesciata può essere valutato da un confronto con l'ingresso olfattiva invertito 19.
    1. Invertire il controllo bilaterale del motore attraversando i cavi di controllo per ogni motore.
  3. La manipolazione del tempo di ritardo tra la locomozione insetti e movimento del robot.
    Nota: Questa manipolazionepermette l'indagine del periodo accettabile di tempo speso per l'elaborazione sensoriale-motoria per la robotica odori-tracking. Il microcontrollore memorizza i dati di locomozione su una memoria buffer e quindi lo elabora dopo il ritardo di tempo specificato. Si noti che il robot ha un massimo ritardo interno di 200 msec; di conseguenza, il ritardo di tempo effettivo è prevista per l'intervallo di tempo specificato più di 200 msec 16,17.
    1. Inserire un numero (da 0-10) in una piccola scatola della finestra principale per specificare un intervallo di tempo da 0-1,000 ms a passi di 100 msec.
    2. Fare clic sul pulsante "set ritardo" per applicare il tempo di ritardo.
  4. Manipolazione dell'ingresso olfattivo.
    Nota: Questa manipolazione può essere usato per studiare il significato dell'ingresso olfattiva bilaterale. La direzione ondata di silkmoths è polarizzato sul lato superiore concentrazione 22.
    1. Modificare il divario tra le punte dei tubi di aspirazione o invertire le loro posizioni per alterare ildifferenza di concentrazione di odore acquisita da ciascuna antenna.
  5. Manipolazione di input visivi
    Nota: Questa manipolazione è quello di indagare il ruolo di input visivo per l'odore-tracking.
    1. Coprire il telo con un foglio bianco che occlude 105 ° e 90 ° del campo visivo orizzontale e verticale della falena bordo rispettivamente.

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Representative Results

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Presentiamo qui le caratteristiche di base del robot insetti controllata richiesta per la localizzazione di successo di una sorgente di odore. Il confronto tra il robot e silkmoths, l'efficacia del sistema di erogazione odore e il significato di accurate olfattiva bilaterale e input visivi sono esaminati.

Il confronto dei comportamenti odori tracciamento tra tarme liberamente piedi e il robot insetto controllato è mostrato in Figura 10A e B. Nelle stesse circostanze odore, entrambe le falene a piedi e il robot ha segnato tassi di successo del 100% (a piedi falena, 10 prove di n = 10 tarme; robot, 7 studi per n = 7 falene). Anche se il robot esposto traiettorie più ampi rispetto a quelli dei lepidotteri piedi, non vi era alcuna differenza significativa nel tempo per la localizzazione tra le tarme piedi e il robot (P2; 0,05, Wilcoxon rank test sum; falena, mediana = 46.5 sec, IQR = 36,7, 69,6; robot, mediana = 48.1 sec, IQR = 44,9, 61,9).

Il sistema di erogazione di odore (Figura 5B) è necessario per alimentare il flusso odorizzante vicino al pavimento alle antenne della falena bordo posizionato 90 mm sopra il pavimento. Senza questo sistema (tubi di aspirazione, ventilatori, e il baldacchino), il robot non poteva orientare verso la sorgente di odore e continuò girando fino a quando si è fermato (tutte le 10 prove di n = 5 falene fallito, Figura 10C). Secondo il comportamento silkmoth programmato, girando continuo è un comportamento tipico quando un silkmoth non riesce a contattare il feromone durante l'orientamento 21,22.

La Figura 11 mostra i risultati rappresentativi dimostrano le manipolazioni del robot. L'efficacia di un ingresso olfattiva bilaterale per l'odore-tracking è stato evaluatcato cambiando la posizione delle punte del tubo (passo 6.4) o invertendo l'uscita del motore (passo 6.2). I robot raggiunto percentuali di successo del 100% con due diversi spazi tra i tubi di sinistra e destra (divario [Control], 90 mm, 10 prove di n = 10 tarme; stretta fessura, 20 mm, 10 prove da N = 10 tarme; Figura 11A, B), e non vi era alcuna differenza significativa nel tempo per la localizzazione tra queste due posizioni tubo (p> 0.05, la prova di acciaio; Figura 11E). D'altra parte, l'inversione di punte tubo (ogni antenna ricevuto odorizzante dal lato controlaterale, gap tubo = 90 mm) ampliato traiettorie lungo la direzione vento trasversale e leggermente aumentato la mediana del tempo alla localizzazione, anche se non vi era alcuna differenza significativa ( P> 0.05, la prova di acciaio, Figura 11C, E). L'inversione di potenza del motore fornisce una situazione simile a quella del olfattivo invertitaIngresso ry; inoltre, inverte anche il movimento visivo autoindotta ricevuto dal falena bordo. A causa del feedback visivo negativo invertita (cioè, risposte positive), il robot continuò girando, anche in odore plume (Figura 11D), che ha significativamente allungato il tempo di localizzazione (P <0,01, test di Steel; Figura 11E). Le percentuali di successo dell'ingresso olfattiva invertito (C) e l'uscita del motore invertita (D) erano 80% (10 prove da N = 10 falene) e il 90,9% (11 studi di 11 mesi), rispettivamente. Una discussione dettagliata del controllo sensomotorio in silkmoths è descritta nel precedente lavoro 19.

Figura 1
Figura 1. Memorizzazione di silkmoth pupe. (A) pupe maschio sono memorizzati in una scatola di plastica (a sinistra). Le farfalle adulte mantengono il cartoncino intorno alla parete interna del box durante eclosion (a destra). (B) Sex marcature di pupe. Ogni freccia indica una piccola macchia sul lato ventrale del nono segmento addominale del maschio e un segno "X" con una multa, linea longitudinale sul lato ventrale del segmento addominale ottavo del femminile. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

figura 2
Figura 2. Tethering un silkmoth. (A) Realizzazione di un allegato per legare un silkmoth. I tre passi sono descritti in 2.1.1 a 2.1.3 (vedi testo). Una striscia duplice sottile foglio di plastica è stato attaccato alla punta del filo di rame, che assorbe il movimento dorso-ventrale (vedere la Figura 2B) del mesonoto durante la deambulazione. L'altro, punta ricurva del filo è per handling. (B) atteggiamenti superiori e inferiori di un silkmoth durante feromone inseguimento (vedere l'angolo tra il femore e la tibia degli arti anteriori [frecce]). (C) La rimozione delle squame sul mesonoto (indicato da frecce). Le immagini sinistra e destra mostrano prima e dopo la rimozione di bilance, rispettivamente. I tegulae forewing erano intatti (circondato da linee tratteggiate). Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 3
Robot Figura 3. Insect-controllato. L'inserto mostra una vista ingrandita del pozzetto. (1) A silkmoth tethered su un tapis roulant (una palla-gonfiabile, vedi riquadro), (2) due ventilatori per la fornitura di un odore di falena (velocità dell'aria, 0,5 m / sec), (3) tubi di aspirazione per prendere il odore, (4) motori a corrente continua e wheEls, (5) schede a microcontrollore, (6) una presa d'aria per l'alimentazione di aria per la palla, (7) i marcatori di monitoraggio per il video in linea analisi, (8) due LED per mantenere un'illuminazione costante nella cabina di guida (280 lx), (9 ) un allegato per legare il silkmoth, e (10) un appuntamento fisso dell'attacco. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 4
Figura 4. Schema di hardware. La rotazione della palla gonfiabile nel treadmill è stata misurata mediante un sensore ottico mouse con una risoluzione di 0,254 mm ad una frequenza di campionamento di 1,5 kHz. I microcontrollori calcolato la traiettoria del silkmoth dalla uscita del sensore e controllati due motori DC sui lati sinistro e destro. I motori sono stati guidati da pulse-width modulation a 1 kHz, con feedback di posizioneda incorporati sensori Hall. L'uscita del sensore ottico (cioè, il comportamento della falena bordo) è stato immagazzinato in una memoria flash integrata (8 Mbit) ad una frequenza di campionamento di 5 Hz. Questi dati sono stati utilizzati per confrontare il comportamento della falena bordo con movimenti del robot. La comunicazione senza fili tra un computer (PC) e il robot è stato ottenuto tramite Bluetooth, che è stato utilizzato solo per l'invio di comandi per avviare e arrestare il robot, o per manipolare le proprietà motorie del robot. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 5
Figura 5. disegni flusso d'aria per il tapis roulant e il sistema di consegna odore. (A) Flusso d'aria per sostenere la palla del tapis roulant. L'aria è stata presa dalla presa d'aria dietro la cabina di guida da un ventilatore fan; poi scorreva attraverso un canale e ha spento da piccoli fori (diametro 1 mm) su una tazza FRP misura (nel riquadro). La vista superiore della tazza circondata da un rettangolo rosso è mostrato nell'inserto. Le frecce rosse indicano il flusso d'aria; freccia bianca, il sensore ottico con un trasmettitore a LED; e la freccia nera, la tazza con piccoli fori. (B) Il flusso d'aria del sistema di erogazione odore. L'aria contenente il feromone è stato aspirato dalla punta di un tubo flessibile in polietilene per lato, separate da una partizione nella volta, e consegnato al antenna sul lato omolaterale. Flusso d'aria su ciascun lato è indicato da frecce rosso o blu. Questa cifra è stata modificata da Ando e Kanzaki 19. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 6
Figura 6. Calcolo dalla locomozione insetto il movimento del robot. (A) Un disegno schematico del robot (Δ L) e movimenti ruote (sinistra, Δ L L e destra, Δ L R). Δθ, girare l'angolo del robot. (B) i parametri per il calcolo. Δ x e y Δ rappresentano i movimenti di rotazione e traslazione di una sfera (un valore positivo indica il senso orario o in avanti); Palla D, il diametro della sfera; Ruote D, la distanza tra le ruote; G FW, L e G BW, L, guadagni motore della avanti (FW) o indietro (BW) rotazione della ruota sinistra (L); G FW, R e G BW, R, guadagni motore di rotazione avanti o all'indietro della ruota destra (R). Si prega di cliccare il suoe per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 7
Figura 7. Regolazione della posizione di una falena legato sul tapis roulant. (A) La vista laterale di una falena legato su una palla. Le gambe centrali devono essere posizionati nella parte superiore della palla (freccia nera). (B) La posizione verticale appropriata della falena. Il sensore ottico dietro la falena di fronte al centro della sfera. Normal passi avanti ruotare la sfera in senso orario (visto dal lato sinistro). (C) La posizione verticale è troppo basso (freccia in basso). Il silkmoth estende le zampe anteriori di resistere alle pressioni e ruota la palla indietro (rotazione in senso antiorario). (D) La posizione verticale è troppo alta (freccia verso l'alto). La falena tiene la palla e la solleva in alto. Anche se la falena in grado di eseguire in avanti a camminare in questa situazione 23 Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 8
Figura 8. galleria del vento. L'aria è stata filtrata con un pannello di rete (freccia rossa); poi entrò l'area di registrazione di una videocamera, 1.500 (L) × 900 (W) mm. La fonte di odore è stato posto a monte della zona di registrazione e l'aria contaminata feromone era esausto all'esterno da un ventilatore (freccia blu). La galleria del vento è stata fatta di polistirene espanso estruso. Il soffitto era una lastra acrilica trasparente, e il piano era un tappeto di gomma per evitare slittamento delle ruote robot. La fonte degli odori wcome posta al centro della posizione vento laterale e 250 mm sottovento dal pannello mesh. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 9
Figura 9. Tempi di manipolazioni del robot nel protocollo. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 10
Figura test di localizzazione delle sorgenti 10. Odore. Ogni pannello mostra le traiettorie degli silkmoths (A; 10 prove di N = 10; tarme dati da Ando et al. 17), il robot insetto controllata ( N = 7 tarme), e il robot senza il sistema di erogazione di odore (C; 10 prove di N = 5 tarme). Le falene o il robot ha iniziato 600 mm sottovento (punta di freccia) da una fonte degli odori (segno di croce, un pezzo di carta da filtro contenente 2.000 ng di bombykol). Le prove con il più breve o più lungo il tempo impiegato per la localizzazione sono indicati come linee rosse e blu, rispettivamente. Le altre prove di successo sono di colore grigio, e le prove fallite sono verdi. Un cerchio indica l'area di porta per giudicare il successo nella localizzazione. Il raggio della zona obiettivo è stato definito sulla base della dimensione del robot, equivalente alla distanza minima tra la falena bordo e la fonte di odore 17. Una freccia indica la direzione del vento (velocità del vento: 0,7 m / sec), e linee tratteggiate indicano i confini del pennacchio feromone. Clicca qui per visualizzare un più grandeversione di questa figura.

Figura 11
Figura 11. Manipolazione dell'ingresso olfattivo e l'uscita del motore. Ogni pannello mostra traiettorie di successo del robot (la posizione della falena bordo) con un'apertura ampia tubo (A; controllo, 90 mm, successo in tutti 10 prove di N = 10 tarme), una stretta fessura (B; 20 mm , successo in tutti 10 prove di N = 10 tarme), un'intercapedine livello provetta capovolta (C; successo 8 di 10 prove, N = 10 tarme), e un gap ampio tubo con uscita motore invertito (D; successo 10 di 11 studi, n = 11 falene). Gli sbuffi d'aria ripetitive attraverso un pezzo di carta da filtro contenente 2.000 ng di bombykol sono stati rilasciati dal segno di croce. Le frecce grigie e bianche con il robot indicano gli orientamenti di ingresso olfattiva bilaterale e motouscita r. Le altre condizioni sperimentali e descrizioni figura sono le stesse come nella Figura 10. (E) Tempo di localizzazione del robot sotto il quattro condizioni (AD). I dati individuali sono riassunti in un diagramma a riquadri. I lati sinistro e destro della casella indicano il primo e il terzo quartile, e il bar rappresenta la mediana. I baffi indicano la gamma di 1,5 × interquartile. Gli asterischi indicano una differenza significativa dai dati di controllo (A), in base al test di acciaio (** P <0,01). Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Discussion

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I punti più importanti per il controllo di successo del robot da un silkmoth sono lasciando la falena camminare agevolmente sulla palla gonfiabile e il stabilmente misura la rotazione palla. Pertanto, legare il silkmoth e montandolo sulla palla nella posizione appropriata sono i passaggi critici in questo protocollo. adesione inadeguate della falena all'attacco o il posizionamento appropriato della falena sulla palla causerà pressione anomala su di esso, che perturba il normale comportamento di camminare e / o causa un errore del sensore ottico per misurare la rotazione della sfera. Irruvidimento la palla di polistirolo è importante anche per evitare che il lepidottero di scivolare. La locomozione della falena legato in risposta all'odore stimoli e il successivo movimento del robot deve essere attentamente controllato prima della prova di odore-tracking (vedi punto 3.6).

L'uso di una sfera grande è meglio perché diminuisce la curvatura del tapis roulant, che fornisce un quasisuperficie piana per le gambe di insetti. La sfera di diametro di 50 mm usato qui è relativamente piccolo rispetto a quello utilizzato nella configurazione treadmill convenzionale per silkmoths (diametro: 75 mm) 24. Tuttavia, una più grande (e più pesante) palla deve essere utilizzato con cautela, in quanto l'inerzia della palla non è trascurabile durante i movimenti del robot. Se un falena a bordo non può frenare la rotazione inerziale-forza-indotta di una palla durante i movimenti del robot per le zampe, il robot oscilla continuamente senza alcuna piedi dal lepidottero. Quando sperimentatori considerano l'uso di altre specie di insetti, di conseguenza, la dimensione palla deve essere selezionato sulla base della forza delle loro prese gambe e le loro dimensioni. Durante la localizzazione fonte di odore, sperimentatori dovrebbero anche controllare il comportamento della falena-se un falena bordo cammina senza problemi sulla palla e il robot risponde rapidamente come le mosse falena. Il silkmoth presenta camminare all'indietro quando riceve troppa pressione dal allegato (una posizione troppo bassa, vedere Figura 5B). Scarsa capacità di risposta del robot di locomozione insetto è dovuto alla palla posizione inappropriati o l'esaurimento delle batterie (le batterie durano circa 30 minuti).

La limitazione del robot dell'insetto controllato è che la falena bordo è sicuramente situato in circostanze innaturali. Il tapis roulant, il sistema di erogazione degli odori, e l'altezza di 90 mm della cabina di guida forniscono diverse informazioni sensoriali (meccanosensoriali, olfattiva e visiva) da quelle acquisite dalle tarme liberamente a piedi. Queste differenze sono diventate evidente quando abbiamo confrontato i comportamenti del robot insetto controllato con quelli di silkmoths liberamente a piedi. Per esempio, se è stata osservata la stessa prestazione per localizzazione della sorgente dell'odore tra il robot e liberamente walking silkmoths, le traiettorie del robot erano sparse lungo la direzione vento trasversale, mentre quelli del liberamente piedi silkmoths convergenti mentre raggiungevano la fonte di odore, in funzione della diminuzione della larghezza pennacchio (Figura 10A, B). Questa differenza è semplicemente dovuta alle diverse dimensioni del robot e tarme. In particolare, la distanza tra il bordo falena e la punta del tubo determina l'intervallo per la ricerca odoranti; Pertanto, la distanza maggiore (robot: 100 mm; falena: circa 10 mm dal torace allo punta dell'antenna) consentire al robot per attivare anche fuori il pennacchio. Inoltre, la falena nella volta non può ricevere la direzione del vento dall'ambiente esterno. Sebbene il significato della direzione del vento per odori monitoraggio non è stato ancora determinato in silkmoths 22, l'uso di direzione del flusso è una strategia fondamentale per odore-tracking in altri organismi 5,6. A causa del flusso d'aria imposto generato dal sistema di erogazione odore, è anche difficileper tenere conto di "sensing attiva", come l'effetto di sbattimento dell'ala che genera il flusso d'aria e facilita la ricezione degli odori in silkmoths 25. A causa di queste limitazioni, se sperimentatori impiegano questa tecnica per esplorare l'uso di modalità multiple, occorre discusso se i risultati ottenuti da questi esperimenti robot possono essere applicati agli insetti intatti in condizioni naturali 19.

Il robot insetto controllato soddisfaceva tre requisiti per la valutazione della capacità di odore inseguimento degli insetti: 1) interfacciamento diretto del motore insetto comandi al robot di controllo, 2) sperimentazione in un vero pennacchio di odore e 3) consentire la manipolazione degli insetti di sistema sensoriale-motorio. In primo luogo, per quanto riguarda l'interfaccia tra un insetto e un robot, l'uso di segnali neurali per il controllo di un robot, ad esempio un'interfaccia cervello-macchina 26, è una tecnica alternativa. Diversi studi sugli insetti utilizzano segnali neurali o elettromiogrammi per control di un robot e un feedback loop chiuso 27-30. Tuttavia, questo approccio richiede la decodifica dei segnali neurali per estrarre comandi motori significativi, che è un importante e continuo oggetto di ricerca nel campo delle neuroscienze. Pertanto, l'uso di comportamento cammino effettivo di insetti per il controllo robot è un modo semplice e diretto per interfacciare comandi motori dell'insetto a un robot. In secondo luogo, per quanto riguarda l'ambiente in cui il robot si comporta, l'uso di realtà virtuale sarebbe un'alternativa 13,31-33. La realtà virtuale ci permette di condurre esperimenti comportamentali in situazioni più controllati ed è più efficace nello studio della visione, dove il tapis roulant gonfiabile è stato utilizzato per il monitoraggio locomozione animale e generazione di circostanze visivi 24,34-36. Tuttavia, chiudendo l'anello di retroazione di informazioni olfattive è tecnicamente difficile perché richiede controllo di flusso preciso. Anche se l'applicazione dell'optogenetica per attivare olfattiva recettore neurons 37-40 supererà i limiti della realtà virtuale nel olfatto, l'uso di un robot mobile in un pennacchio vera odore sarebbe un modo affidabile per stabilire una olfattivo anello chiuso attualmente. Infine, per quanto riguarda la manipolazione del sistema sensoriale-motorio di un insetto, approcci alternativi sarebbero manipolazioni chirurgiche degli insetti (ad esempio, il taglio o riguardanti gli organi sensoriali o appendici 41). Tuttavia, la nostra manipolazione robotizzata (passaggio 6 e Figura 11) è un modo non invasivo e reversibile per alterare il sistema sensoriale-motoria insetti, ottenuto dalla manipolazione della piattaforma del robot 19, e la controllabilità di vari parametri del robot permette di testare le sue prestazioni in varie circostanze.

Il robot insetto-controllato ha due direzioni principali per le applicazioni future. La prima direzione è per l'ingegneria. Come un robot autonomo controllato dal sistema sensomotorio insetto, l'irobot nsect controllato sarà un riferimento per robot mobili realizzati con modelli biologici, che vanno dai veicoli Braitenberg semplificate 42 a reti neurali su larga scala. Il robot insetto-controllo sarà anche una piattaforma utile per testare le possibili combinazioni di altre modalità con insetto odore-tracking, come ad esempio la realizzazione di una macchina fotografica e un algoritmo per evitare collisioni di esplorare gli algoritmi di odore-free tracking-collisione. Inoltre, la messa a punto delle proprietà robot può migliorare le prestazioni di odore-tracking meglio di insetti intatti. Tale traduzione della capacità insetto potrebbe portare all'utilizzo pratico di questo robot stesso per la ricerca di materiali pericolosi, se imitiamo le silkmoths transgenici 43 che rispondono ai prodotti chimici caratteristici in un materiale bersaglio. D'altra parte, il robot insetto controllato sarà anche sollevare una questione importante: Come dovremmo utilizzare algoritmi biomimetici per applicazioni robotiche che si estendono oltre la differenza tra insetti e robot? Ad esempio, i recettori olfattivi insetti hanno una capacità eccezionale di acquisire ad alta velocità dinamica temporale della concentrazione di odore 44-46, che è responsabile per la localizzazione di trasformazione e l'odore fonte olfattiva degli insetti, ma sono di gran lunga oltre le capacità dei sensori di gas convenzionali 4,29, 47. Come modificare l'algoritmo biomimetico per soddisfare la capacità sensoriale del robot deve essere esplorato anche come direzione futura. L'altra direzione principale è sicuramente per la biologia. Il robot insetti controllato può essere considerata come una piattaforma sperimentale anello chiuso. Inoltre, la manipolazione robotica, un modo non invasivo per alterare rapporto senso-motorio dell'insetto, sarà ulteriormente applicato per studiare come il cervello piccolo insetto può rispondere, imparare e adattarsi alle nuove circostanze.

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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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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).
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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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