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Neuroscience

Robot Insecte contrôlée: Une plate-forme de robot mobile pour évaluer la capacité Odor-suivi d'un insecte

doi: 10.3791/54802 Published: December 19, 2016

Summary

La capacité de localiser une source d'odeur est nécessaire pour la survie des insectes et devrait être applicable aux odeurs de suivi artificiel. Le robot d'insecte contrôlé est entraîné par un silkmoth réel et permet d'évaluer la capacité d'insectes odorante suivi par une plate-forme robotisée.

Protocol

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1. Experimental animale

  1. Préparer une boîte en plastique pour garder les pupes de silkmoths mâles (B. mori) jusqu'à leur éclosion. Serviettes Mettre en papier au fond et des morceaux de carton autour de la paroi intérieure de la boîte (figure 1A).
    Remarque: Les morceaux de carton sont nécessaires pour les papillons adultes de tenir tout en étendant leurs ailes pendant eclosion (figure 1A).
  2. Silkmoth mâle Put (Bombyx mor i) pupes dans la boîte et les garder dans un incubateur jusqu'à ce eclosion sous 16 h: la lumière de 8 heures: cycle d' obscurité à 25 ° C.
    NOTE: Le mâle et la femelle pupes peuvent être discriminées par les marques de sexe sur l'abdomen (figure 1B).
  3. Recueillir les papillons mâles adultes après l'éclosion et les déplacer dans une nouvelle boîte.
  4. Gardez les papillons adultes dans un incubateur sous 16 h: la lumière de 8 heures: cycle d'obscurité et de diminuer la température à 15 ° C pour réduire leur activité avant l'expérience.

2. tethering un Silkmoth

  1. Fabrication d'une fixation pour attacher (figure 2A)
    Remarque: La pièce jointe est constituée d'un fil de cuivre avec une bande d'une feuille de plastique mince à son extrémité. Cela garantit que le mouvement dorso-ventrale du thorax pendant la marche (figure 2B).
    1. Préparer une bande d'une feuille plastique mince, 2 × 40 mm (épaisseur: 0,1 mm), et le plier dans le milieu.
    2. Fixer la bande pliée à la pointe d'un fil de cuivre avec un adhésif.
    3. Pliez la pointe de la bande pliée où le thorax d'un silkmoth est attaché.
  2. Utilisez les papillons adultes (âgés de 2-8 jours) au cours de la période de lumière pour l'expérience.
    Remarque: La sensibilité à la phéromone dépend fortement de l'horloge circadienne 18. Parce que B. mori est un papillon diurne, l'expérience doit être effectuée au cours de la période de lumière.
  3. Retirez délicatement toutes les échelles sur le dorsal thorax (mesonotum) à l' aide d' un morceau de tissu humide (ou un coton - tige) et exposer la cuticule du mesonotum (figure 2C).
  4. Coller un adhésif sur la bande de plastique sur la pièce jointe et sur la surface de la mesonotum exposée avec un petit tournevis à lame plate et attendre 5-10 min jusqu'à ce que la colle ne colle plus.
    Remarque: L'adhésif ne doit pas toucher la charnière de l' aile ou la tegulae de forewing (figure 2C).
  5. Bond mesonotum à la pièce jointe.
  6. Gardez le papillon attaché avant de le placer à l'intérieur du poste de pilotage du robot. Tenir la pièce jointe sur un stand et mettre un morceau de papier sous les jambes pour se reposer la teigne.

3. Robot Insecte contrôlé

  1. La conception du matériel du robot d'insecte commandé en se basant sur des travaux précédents 16,17,19.
    Remarque: Le robot d'insecte contrôlé est constitué d'un tapis roulant d'air supporté par un capteur de souris optique à capture la locomotion des insectes, à base AVR-cartes microcontrôleur intégré personnalisées pour le traitement et le contrôle moteur, et deux moteurs sans balais à courant continu (figures 3 et 4). Le robot peut fonctionner sur la base de la rotation de la balle avec une précision de 96% ou plus, dans un délai de 200 ms. Elle assure également la mobilité de la vitesse maximale avant (24,8 mm / s) et la vitesse angulaire (96,3 ° / sec) de la silkmoth pendant phéromone comportement de suivi 16. L'écoulement d' air du tapis roulant (figure 5A) et un système de distribution d'odeur (figure 5B) sont conçus pour le papillon à bord de marche sans à- coup sur la balle et d'acquérir une odeur par deux antennes. La chaîne du tapis de course d'admission d'air et le flux est séparé de ceux du système de distribution d'odeur pour éviter toute contamination de la phéromone.
  2. Concevoir le logiciel pour les microcontrôleurs embarqués basés sur des travaux antérieurs 16.
    Remarque: Le microcontrôleur embarqué calcule til mouvements du robot de la locomotion des insectes mesurée avec un capteur optique (rotation, Δ x; traductionnelle, Δ y, figure 6). La distance de Voyage (Δ L) et de l' angle (Δθ) par unité de temps du robot tourner sont calculés sur la base de la distance de Voyage de chaque roue (gauche, Δ L L; à droite, Δ L R) telle que Δ L = (Δ l l + Δ l R) / 2 et Δθ = (Δ l l - Δ l R) / roue D, où la roue de D est la distance entre les deux roues (120 mm). Δ L L et Δ L R sont décrits comme Δ L L = Δ L x, L + Δ L y, L et Δ L R = Δ L x, R + Δ L y, R, où Δ L x, L </ sub> et Δ L x, R sont les distances de déplacement des roues sur les côtés gauche et droit à commande par Δ x, Δ et L y, L et L Δ Y, R sont ceux contrôlés par Δ y. Idéalement, Δ L x, L et Δ L x, R sont décrits comme Δ L x, L = -Δ L x, R = G Δ x (roue D / bille D) et Δ L y, L et Δ L y R sont décrits comme Δ l y, l = Δ l y, R = G Δ y,G est le gain du moteur et la bille D est le diamètre de la bille (50 mm). Dans la pratique, le gain du moteur est réglé de façon indépendante par chaque côté (à gauche ou à droite roue) et par chaque direction (vers l'avant ou vers l'arrière rotation) de façon à calibrer le mouvement du robot. Les gains indépendants permettent en outre laréglage de rotation du moteur asymétrique pour générer une polarisation de rotation du robot (voir étape 6.1).
  3. Laver la surface d'une boule blanche expansée de polystyrène (masse: environ 2 g, diamètre: 50 mm) avec de l'eau pour éliminer tous les signaux olfactifs ou visuels possibles.
    Remarque: La surface d'une nouvelle balle doit être malmené avec grain fin papier de verre, tels que P400, qui assure la prise en main des jambes sur le ballon.
  4. Allumez le ventilateur qui fournit l' air à 9 V sur le tapis roulant et flotte le ballon (figure 5A). Observez le ballon flotter environ 2 mm du fond de la tasse.
  5. Utiliser une vis, fixez le fil de cuivre de la pièce jointe avec le papillon (voir étape 2) à un appareil dans le poste de pilotage du robot (voir Figure 3 encadré). Assurez - vous que la position des pattes médianes est au centre de la balle (Figure 7A).
  6. Ajustez la position verticale de la fixation pour permettre la teigne de marcher normalement sur le btout. Garder la balle à la même hauteur avant et après la fixation de la teigne (figure 7B).
    Remarque: Une position trop basse de la pièce jointe ajoute une pression sur la teigne et provoque la marche arrière pour résister à la pression (Figure 7C), alors une position trop élevée provoque la marche et les défaillances du capteur instable en raison de changements dans la position verticale de la balle (Figure 7D). Pour vérifier le comportement de la marche normale, une seule soufflée stimulus phéromone est utilisé pour déclencher la marche dans la teigne (pour la relance de la phéromone, voir étape 4). Notez que le stimulus de test doit être minime, car une exposition antérieure à bombykol accoutume silkmoths et diminue leur sensibilité (Matsuyama et Kanzaki, données non publiées).

4. Odeur Préparation Source

Note: Homme B. mori sont sensibles à la composante majeure de la phéromone sexuelle femelle conspécifique (bombykol: (E, Z) -10,12-hexadecadien-1-ol)

  1. Déposer 10 ul de la solution de bombykol dissous dans du n-hexane (200 ng / ul) sur un morceau de papier filtre (environ 10 mm x 10 mm). La quantité de bombykol par morceau de papier filtre est de 2000 ng.
    Remarque: Pour vérifier le comportement de la marche normale de la teigne, préparer une cartouche phéromone de relance dans cette étape. La cartouche est un verre pipette Pasteur avec un morceau de papier filtre contenant 2000 ng de bombykol. Pousser une ampoule gonfle le bombykol d'air contenant.

5. Odeur Source Localisation Experiment

  1. Allumez le ventilateur d'un tunnel de vent de type air de traction (1800 × 900 × 300 mm, L × l × H; Figure 8) et régler la vitesse du vent à 0,7 m / sec. Assurez-vous que la température est supérieure à 20 ° C.
  2. Réglez la source de l'odeur (pIECE de papier filtre contenant bombykol) en amont de la soufflerie.
    Remarque: La largeur du panache devrait être confirmée avant l'expérience en utilisant TiCl 4 17,19.
  3. Tournez sur la carte microcontrôleur du robot et établir une connexion série à un PC via Bluetooth.
  4. Lancer un programme Java sur mesure appelé "BioSignal," qui fournit une interface entre le PC et le robot.
    Remarque: La fenêtre principale comprend des boutons pour envoyer des commandes au robot, les fenêtres de texte pour afficher l'entrée et la sortie de la communication série, et de petites boîtes pour configurer les paramètres. Les commandes suivantes sont envoyées en cliquant sur les boutons correspondant à ce programme, sauf pour la capture vidéo.
  5. Cliquez sur le bouton "à propos de l'appareil" pour confirmer la connexion en envoyant une commande au robot via le port COM spécifié et vérifier qu'un message est renvoyé par le robot.
  6. Cliquez sur le "mémobouton ry effacer "pour effacer les données de locomotion précédents laissés sur la mémoire flash embarquée.
  7. Cliquez sur le bouton "drivemode1" pour envoyer les gains à moteur par défaut au robot.
    Remarque: Les manipulations des gains du moteur et le délai entre la locomotion des insectes et le mouvement du robot sont appliqués après cette étape (voir étapes 6.1 et 6.3, Figure 9).
  8. Cliquez sur le bouton "ne conduisez pas" pour envoyer une commande pour immobiliser le robot jusqu'à ce que l'expérience commence.
  9. Mettez le robot à une position de départ (600 mm en aval de la source de l'odeur) et allumez l'interrupteur du panneau de commande de moteur.
  10. Appuyez sur le bouton d'enregistrement du caméscope pour commencer la capture vidéo.
  11. Cliquez sur le bouton "start rec" pour envoyer une commande de démarrage pour lancer le robot avec un enregistrement simultané de la rotation de la balle sur la mémoire flash embarquée. Notez que le robot commence à se déplacer et suit le panache d'odeur.
  12. Clique sur le"Arrêt rec" et "ne pas conduire" boutons pour envoyer des commandes pour arrêter la fois le mouvement du robot et l'enregistrement si le robot localise la source de l'odeur.
  13. Appuyez sur le bouton d'enregistrement du caméscope pour arrêter la capture vidéo.
  14. Télécharger les données enregistrées de locomotion de la mémoire flash embarquée à l'ordinateur via une connexion série. Fermer le programme.

6. Manipulation du Robot Insecte contrôlée

Remarque: Le timing de chaque manipulation est indiquée sur la figure 9.

  1. Manipulation des gains à moteur
    Remarque: Cette manipulation modifie la vitesse de translation et de rotation du robot. Gains à moteur asymétriques génèrent un biais tournant, qui peut être utilisé pour étudier comment les insectes compensent le biais 17.
    1. Définir les gains de rotation pour rotation avant et arrière du moteur de chaque côté 17 (figure 6B) en éditant efichier de configuration e nommé "param2.txt" en utilisant un éditeur de texte.
    2. Cliquez sur le "param2 set" pour lire le fichier de configuration éditée dans le logiciel. Ensuite, cliquez sur le "drivemode2" pour envoyer les gains manipulés au robot.
  2. L'inversion de la sortie du moteur
    Remarque: Cette manipulation fournit une condition semblable à l'inversion de l' entrée olfactive bilatérale (voir étape 6.4) et peut être utilisée pour étudier l'importance de l' olfaction bilatérale. Cependant, l'inversion de la sortie du moteur intervertit aussi mouvement visuel auto-induite d'un papillon de nuit à bord. L'impact visuel de l'entrée auto-induite inversée peut être évaluée par une comparaison avec l'entrée inversée 19 olfactive.
    1. Inverser la commande du moteur bilatéral en croisant les câbles de commande pour chaque moteur.
  3. La manipulation du temps de retard entre la locomotion des insectes et des mouvements du robot.
    Remarque: Cette manipulationpermet d'enquêter sur la période de temps acceptable consacré au traitement sensori-moteur pour l'odeur de suivi robotique. Le microcontrôleur stocke les données de locomotion sur une mémoire tampon puis traite après le délai spécifié. Notez que le robot a un délai maximal interne de temps de 200 ms; Par conséquent, le retard de temps réel devrait être le délai spécifié , plus 200 ms 16,17.
    1. Entrez un numéro (0-10) dans une petite boîte de la fenêtre principale pour spécifier un délai de 0-1000 msec à des étapes de 100 msec.
    2. Cliquez sur le bouton "délai fixé" pour appliquer le délai.
  4. La manipulation de l'entrée olfactive.
    Remarque: Cette manipulation peut être utilisée pour étudier l'importance de l' entrée olfactive bilatérale. La direction de poussée de silkmoths est sollicité sur le côté supérieur concentration 22.
    1. Changer l'écart entre les extrémités du tube d'aspiration ou inverser leurs positions pour modifier ladifférence de concentration d'odeur acquise par chaque antenne.
  5. Manipulation de l'entrée visuelle
    Remarque: Cette manipulation est d'étudier le rôle de l' entrée visuelle pour l' odeur de suivi.
    1. Couvrir le couvert avec un papier blanc qui obture 105 ° et 90 ° du champ visuel horizontal et vertical de la teigne à bord, respectivement.

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Representative Results

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Nous présentons ici les caractéristiques de base du robot commandé par les insectes nécessaires à la localisation réussie d'une source de l'odeur. La comparaison entre le robot et silkmoths, l'efficacité du système de distribution d'odeur, et l'importance de olfactive bilatérale précise et les entrées visuelles sont examinés.

La comparaison des comportements odeur de suivi entre les mites librement marche et le robot d'insecte contrôlé est représenté sur la figure 10A et B. Dans les mêmes circonstances d'odeur, les deux papillons de marche et les robots ont obtenu des taux de réussite de 100% (marche teigne, 10 essais par N = 10 mites, robot, 7 essais par N = 7 papillons). Bien que le robot présentait des trajectoires plus larges par rapport à celles des papillons de nuit de marche, il n'y avait pas de différence significative dans le temps de la localisation entre les papillons de nuit de marche et le robot (P2; 0,05, test de Wilcoxon rang de somme; teigne, médiane = 46,5 sec, IQR = 36,7, 69,6; robot, médiane = 48,1 sec, IQR = 44,9, 61,9).

Le système de distribution d'odeur (figure 5B) est nécessaire pour alimenter le flux odorant près du sol pour les antennes du papillon à bord placé 90 mm au- dessus du sol. Sans ce système (tubes d'aspiration, des ventilateurs, et le couvert), le robot n'a pas pu orienter vers la source de l' odeur et la poursuite des cercles jusqu'à ce qu'il arrête (tous les 10 essais par N = 5 papillons ont échoué, Figure 10C). Selon le comportement de silkmoth programmé, encerclant en continu est un comportement typique lorsqu'un silkmoth ne parvient pas à communiquer avec la phéromone pendant l' orientation 21,22.

La figure 11 montre les résultats représentatifs montrant les manipulations du robot. L'efficacité d'une entrée bilatérale olfactive pour l'odeur de suivi a été évaluated en changeant la position des extrémités d'un tube (étape 6.4), ou par inversion de la sortie du moteur (étape 6.2). Le robot atteint des taux de réussite de 100% avec deux écarts différents entre gauche et droite tubes (grand écart [contrôle], 90 mm, 10 essais par N = 10 papillons; intervalle étroit, 20 mm, 10 essais par N = 10 papillons; Figure 11A, B), et il n'y avait pas de différence significative dans le temps de la localisation entre ces deux positions de tube (P> 0,05, test de l' acier; Figure 11E). D'autre part, l'inversion des extrémités d'un tube (chaque antenne a reçu le odorant du côté controlatéral, gap tube = 90 mm) a élargi les trajectoires le long de la direction crosswind et a légèrement augmenté la médiane du temps de localisation, mais il n'y avait pas de différence significative ( P> 0,05, test de l' acier; Figure 11C, E). L'inversion de la sortie du moteur fournit une situation similaire à celle du olfacto inverséry entrée; en outre, elle intervertit aussi le mouvement visuel auto-induit reçu par la teigne à bord. En raison de la rétroaction visuelle négative inversée (c. -à- rétroaction positive), le robot a continué encerclant, même dans l'odeur du panache (Figure 11D), qui a allongé considérablement le temps de localisation (P <0,01, test de l' acier; Figure 11E). Les taux de l'entrée olfactive inversée (C) et la sortie du moteur inversé (D) succès ont été de 80% (10 essais par N = 10 papillons) et 90,9% (11 essais par 11 papillons de nuit), respectivement. Une discussion détaillée du contrôle sensori-moteur en silkmoths est décrit dans les travaux antérieurs 19.

Figure 1
Figure 1. Mémorisation des silkmoth pupes. (A) pupes Homme sont stockés dans une boîte en plastique ( à gauche). Les papillons adultes tiennent le carton autour de la paroi intérieure de la bboeuf pendant eclosion (à droite). Marquages (B) Sex de pupes. Chaque flèche indique une petite tache sur la face ventrale du neuvième segment abdominal du mâle et une marque "X" avec une ligne longitudinale très bien sur la face ventrale du huitième segment abdominal de la femelle. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 2
Figure 2. tethering un silkmoth. (A) Fabrication d'une pièce jointe pour attacher un silkmoth. Les trois étapes sont décrites en 2.1.1 à 2.1.3 (voir le texte). Une bande double de la feuille mince en plastique a été fixé à l'extrémité du fil de cuivre, qui absorbe le mouvement dorso-ventral (voir la figure 2B) de la mesonotum pendant la marche. L'autre, la pointe recourbée du fil est pour handling. (B) des attitudes supérieures et inférieures d'un silkmoth pendant le suivi phéromone (voir l'angle entre le fémur et le tibia des pattes [flèches]). (C) L' élimination des écailles sur le mesonotum (indiqué par des flèches). Les images de gauche et de droite montrent avant et après l'élimination des écailles, respectivement. Les tegulae de l'aile antérieure étaient intactes (entouré par des lignes en pointillés). S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 3
Robot Figure 3. Insect-contrôlé. L'encart montre une vue agrandie de l'habitacle. (1) Un silkmoth attaché sur un tapis roulant (une boule d'air pris en charge, voir encadré), (2) deux ventilateurs pour fournir une odeur à la pyrale (vitesse de l'air, 0,5 m / sec), (3) des tubes d'aspiration pour prendre la odeur, (4) moteurs à courant continu et wheels, (5) cartes microcontrôleur (6), une entrée d'air pour alimenter en air la balle, (7) les marqueurs de suivi pour hors-ligne vidéo analyses, (8) deux LED pour garder illumination constante dans le cockpit (280 lx), (9 ) un attachement pour attacher l'silkmoth, et (10), une partie intégrante de la pièce jointe. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 4
Figure 4. Schéma du matériel. La rotation de la bille d'air supporté dans le tapis de course est mesurée par un capteur de souris optique avec une résolution de 0,254 mm à un débit de 1,5 kHz d'échantillonnage. Les micro-contrôleurs ont calculé la trajectoire du ver à soie à partir de la sortie du capteur et le contrôle de deux moteurs à courant continu sur les côtés gauche et droit. Les moteurs ont été entraînés par modulation de largeur à 1 kHz, avec retour de positionde haut-capteurs à effet Hall. La sortie du capteur optique ( par exemple, le comportement du papillon à bord) a été stockée sur une mémoire flash intégrée (8 Mbits) à un débit de 5 Hz d'échantillonnage. Ces données ont été utilisées pour comparer le comportement du papillon à bord avec les mouvements du robot. La communication sans fil entre un ordinateur (PC) et le robot a été réalisé par l'intermédiaire de Bluetooth, qui a été seulement utilisé pour envoyer des commandes pour démarrer et arrêter le robot, ou pour manipuler les propriétés du moteur du robot. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 5
Figure 5. designs Airflow pour le tapis roulant et le système de distribution d'odeur. (A) Débit d' air pour soutenir la balle du tapis roulant. L'air a été prise à partir de la prise d'air derrière le cockpit par une fa soufflanten; alors coulé à travers un canal et souffla de petits trous (diamètre de 1 mm) sur un FRP coupe faite sur mesure (en médaillon). La vue de dessus de la cuvette entourée d'un rectangle rouge est affiché dans l'encart. Les flèches rouges indiquent le flux d'air; la flèche blanche, le capteur optique avec un émetteur à DEL; et la flèche noire, la coupe de petits trous. (B) Le débit d' air du système de distribution d'odeur. L'air contenant la phéromone a été aspirée à partir de la pointe d'un tube en polyéthylène souple de chaque côté, séparés par une cloison dans la canopée, et livré à l'antenne sur le côté ipsilatéral. Airflow de chaque côté est indiqué par des flèches rouges ou bleues. Ce chiffre a été modifié depuis Ando et Kanzaki 19. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 6
Figure 6. Calcul du déplacement du robot de la locomotion des insectes. (A) Un dessin schématique du robot (Δ L) et de mouvements de roue (gauche, Δ L L et droite, Δ L R). Δθ, angle du robot tourner. (B) Les paramètres pour le calcul. Δ x et Δ y représentent les mouvements d'une boule de rotation et de translation (une valeur positive indique le sens horaire ou vers l' avant); Boule D, le diamètre de la bille; Roues D, la distance entre les roues; G FW, L et G BW, L, les gains de moteur de l' avant (FW) ou vers l' arrière (BW) rotation de la roue gauche (L); G FW, R et G BW, R, les gains de moteur de l' avant ou rotation vers l' arrière de la roue droite (R). S'il vous plaît cliquez sur sone pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 7
Figure 7. Réglage de la position d'un papillon attaché sur le tapis roulant. (A) La vue latérale d'un papillon attaché sur une boule. Les pattes médianes doivent être placés au sommet de la balle (flèche noire). (B) La position verticale appropriée de la teigne. Le capteur optique derrière le papillon fait face au centre de la balle. marche normale vers l'avant fait tourner le ballon dans le sens horaire (vu du côté gauche). (C) La position verticale est trop faible (flèche vers le bas). Le silkmoth étend les pattes avant de résister aux pressions et fait tourner le ballon vers l'arrière (sens de rotation). (D) La position verticale est trop élevé (flèche vers le haut). Le papillon tient le ballon et le soulève. Bien que la teigne peut effectuer avant de marcher dans cette situation 23 S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 8
Figure 8. tunnel du vent. L'air a été filtré avec un panneau de mailles (flèche rouge); alors entré dans la zone d'enregistrement d'un caméscope, 1500 (L) × 900 (W) mm. La source de l'odeur a été placée en amont de la zone d'enregistrement et l'air de phéromone contaminé a été évacué à l'extérieur par un ventilateur (flèche bleue). La soufflerie a été faite de mousse de polystyrène extrudé. Le plafond était une feuille acrylique transparent, et le sol était un tapis en caoutchouc pour éviter de glisser des roues du robot. La source de l'odeur wcomme placé au centre de la position crosswind et 250 mm sous le vent à partir du panneau de maille. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 9
Figure 9. Timings de manipulations du robot dans le protocole. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 10
Figure 10. Odeur essai source de localisation. Chaque panneau montre les trajectoires des silkmoths (A; 10 essais par N = 10 mites, les données de Ando et al 17.), Le robot d'insecte contrôlé ( N = 7 mites), et le robot sans le système de distribution d'odeur (C; 10 essais par N = 5 papillons). Les papillons ou le robot a commencé à 600 mm sous le vent (flèche) provenant d'une source d'odeur (marque croix, un morceau de papier filtre contenant 2000 ng de bombykol). Les essais avec le plus court ou le plus long temps nécessaire à la localisation sont indiquées sous forme de lignes rouges et bleues, respectivement. Les autres essais réussis sont de couleur grise, et les essais ont échoué sont verts. Un cercle indique la zone de but pour juger du succès dans la localisation. Le rayon de la surface de but a été définie sur la base de la taille du robot, ce qui correspond à la distance la plus courte entre le papillon de bord et la source des odeurs 17. Une flèche indique la direction du vent (vitesse du vent: 0,7 m / s), et des lignes pointillées indiquent les limites du panache de phéromone. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une plus grandeversion de ce chiffre.

Figure 11
Figure 11. La manipulation de l'entrée olfactif et la sortie du moteur. Chaque panneau montre les trajectoires réussies du robot (la position du papillon à bord) avec un grand écart-tube (A; contrôle, 90 mm, avec succès dans tous les 10 essais par N = 10 papillons de nuit), un espace étroit (B; 20 mm , avec succès dans tous les 10 essais par N = 10 papillons de nuit), un large fossé tube inversé (C; succès dans 8 des 10 essais, n = 10 papillons de nuit), et un grand écart-tube avec sortie du moteur inversé (D; réussi à 10 des 11 essais, n = 11 papillons de nuit). Les bouffées d'air répétitives à travers un morceau de papier filtre contenant 2000 ng de bombykol ont été libérés de la marque de croix. Les flèches grises et blanches avec le robot indiquent les orientations de l'entrée olfactive bilatérale et motoSortie r. Les autres conditions expérimentales et les descriptions de figures sont les mêmes que sur la figure 10. (E) Le temps de la localisation du robot dans les quatre conditions (AD). Les données individuelles sont résumées dans une boîte à moustaches. Les côtés gauche et droit de la boîte indiquent les premier et troisième quartiles, et la barre représente la médiane. Les moustaches indiquent la plage de 1,5 × interquartile. Les astérisques indiquent une différence significative par rapport aux données de commande (A), selon le test de l' acier (** P <0,01). S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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Discussion

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Les points les plus importants pour le contrôle réussie du robot par un silkmoth laissent la teigne marcher en douceur sur la boule d'air pris en charge et la mesure de manière stable la rotation de la balle. Par conséquent, attacher le silkmoth et le monter sur le ballon à la position appropriée sont les étapes critiques dans ce protocole. adhérence inappropriée de la teigne à la fixation ou mauvais positionnement de la teigne sur la balle va provoquer une pression contre nature sur elle, ce qui perturbe son comportement de marche normale et / ou provoque une défaillance du capteur optique pour mesurer la rotation de la balle. Rendre rugueuse la bille de polystyrène est également important pour empêcher la mite de glisser. La locomotion de la teigne tethered en réponse à des stimuli Odeur et le mouvement du robot suivant doit être soigneusement vérifié avant l'essai d'odeur de suivi (voir étape 3.6).

L'utilisation d'un ballon plus grand est meilleur parce qu'il diminue la courbure du tapis roulant, qui fournit un presqueplan plat pour les jambes d'insectes. La boule de diamètre de 50 mm utilisé ici est relativement faible par rapport à celui utilisé dans la configuration du tapis roulant conventionnel pour silkmoths (diamètre: 75 mm) 24. Cependant, une plus grande (et plus lourd), le ballon doit être utilisé avec précaution, car l'inertie de la balle est non négligeable lors des mouvements du robot. Si un papillon à bord ne peut pas empêcher la rotation inertielle force induite par une balle lors de mouvements du robot par ses jambes, le robot oscille en permanence sans marche par la teigne. Quand expérimentateurs envisager l'utilisation d'autres espèces d'insectes, par conséquent, la taille de la balle doit être choisie sur la base de la force de leurs poignées de jambe, ainsi que leurs tailles. Au cours de l'odeur localisation de source, les expérimentateurs doivent également vérifier le comportement de la teigne si un papillon à bord des promenades en douceur sur le ballon et le robot répond rapidement que les mites se déplace. Le silkmoth présente la marche arrière lorsqu'il reçoit trop de pression de la pièce jointe (une position trop faible, voir figure 5B). Une mauvaise réactivité du robot à la locomotion des insectes est due à inappropriée position de la balle ou l'épuisement des piles (les piles durent environ 30 min).

La limitation du robot d'insecte contrôlée est que la mite de bord est nettement situé dans des conditions non naturelles. Le tapis de course, le système de distribution d'odeur, et la hauteur de 90 mm de l'habitacle fournissent des informations différentes sensorielle (mécanosensorielle, olfactive et visuelle) à partir de celles acquises par les mites librement marche. Ces différences sont devenus évidents lorsque l'on compare le comportement du robot d'insecte contrôlée avec celles de silkmoths librement marche. Par exemple, si la même performance pour la source des odeurs localisation a été observée entre le robot et librement marche silkmoths, les trajectoires de la robot étaient rares dans la direction transversale du vent, alors que ceux de la marche sur silkmoths librement convergé en atteignant la source d'odeur, d' après la diminution de la largeur du panache (figure 10A, B). Cette différence est tout simplement en raison des différentes tailles du robot et les mites. En particulier, la distance entre le papillon à bord et la pointe du tube détermine la plage pour la recherche odorants; par conséquent, la plus grande distance (robot de: 100 mm; moth: environ 10 mm du thorax à la pointe de l'antenne) permettent au robot d'activer même en dehors du panache. En outre, le papillon dans la canopée ne peut pas recevoir la direction du vent de l'environnement extérieur. Bien que l'importance de la direction du vent pour l' odeur de suivi n'a pas encore été déterminée silkmoths 22, l'utilisation du sens d'écoulement est une stratégie fondamentale pour l' odeur de suivi dans d' autres organismes 5,6. En raison de l'écoulement d'air imposé généré par le système de distribution d'odeur, il est également difficilepour tenir compte de "détection active", comme l'effet de battement d'aile qui génère le flux d' air et facilite la réception des odeurs en silkmoths 25. En raison de ces limitations, le cas expérimentateurs utilisent cette technique pour étudier l'utilisation de multiples modalités, il doit être examiné si les résultats obtenus par ces expériences de robot peuvent être appliqués à des insectes intactes dans les conditions naturelles 19.

Le robot d'insecte contrôlé accompli trois exigences pour l'évaluation de la capacité d'odeur suivi des insectes: 1) interfaçage direct du moteur insecte commande de robot de contrôle, 2) des tests dans une odeur réelle du panache, et 3) permettant la manipulation des insectes de système sensori-moteur. Tout d' abord, en ce qui concerne l'interface entre un insecte et un robot, l'utilisation des signaux neuronaux pour commander un robot, par exemple une interface cerveau-ordinateur 26 est une autre technique. Plusieurs études sur les insectes utilisent des signaux neuronaux ou électromyogramme pour control d'un robot et de rétroaction fermée boucles 27-30. Cependant, cette approche nécessite le décodage des signaux neuronaux pour extraire des commandes motrices significatives, ce qui est un élément important et permanent sujet de recherche en neurosciences. Par conséquent, l'utilisation d'un comportement de marche réel des insectes pour la commande du robot est une manière simple et directe à l'interface de commande du moteur de l'insecte à un robot. En second lieu , en ce qui concerne l'environnement dans lequel le robot comporte l'utilisation de la réalité virtuelle serait une alternative 13,31-33. La réalité virtuelle nous permet de mener des expériences comportementales dans des situations plus contrôlées et est la plus réussie dans l'étude de la vision, où le tapis de course gonflable a été utilisé pour le suivi de la locomotion animale et génération de circonstances visuelles 24,34-36. Cependant, la fermeture de la boucle de rétroaction de l'information olfactive est techniquement difficile car elle nécessite un contrôle précis du débit. Bien que l'application de l'optogénétique pour activer le récepteur olfactif neurons 37-40 va surmonter les limites de la réalité virtuelle dans l' olfaction, l'utilisation d'un robot mobile dans un panache réel d'odeur serait un moyen fiable pour établir une olfactive en boucle fermée à l' heure actuelle. Enfin, en ce qui concerne la manipulation du système sensori-moteur d'un insecte, des approches alternatives seraient manipulations chirurgicales des insectes ( par exemple, de coupe ou couvrant des organes sensoriels ou appendices 41). Cependant, notre manipulation robotique (étape 6 et à la figure 11) est un moyen non invasif et réversible pour modifier le système sensori-moteur d'insectes, obtenu par la manipulation de la plate - forme de robot 19, et la contrôlabilité de divers paramètres du robot permet de tester ses performances dans diverses circonstances.

Le robot d'insecte contrôlé a deux grandes orientations pour les applications futures. La première direction est pour l'ingénierie. En tant que robot autonome commandé par le système sensori-moteur d'insecte, iRobot nsect contrôlée sera une référence pour les robots mobiles mis en œuvre avec des modèles biologiques, allant des véhicules Braitenberg simplifiés 42 aux réseaux neuronaux à grande échelle. Le robot d'insecte contrôlé sera également une plate-forme utile pour tester les combinaisons possibles d'autres modalités avec l'odeur de suivi des insectes, tels que la mise en œuvre d'un appareil photo et un algorithme pour éviter les collisions à explorer les algorithmes odeur de suivi sans collision. En outre, réglage fin des propriétés du robot peut améliorer les performances des odeurs de suivi mieux que les insectes intacts. Cette traduction de la capacité des insectes pourrait conduire à l'utilisation pratique de ce robot lui - même pour trouver des matières dangereuses, si nous imitons les silkmoths transgéniques 43 qui répondent à des produits chimiques caractéristiques dans un matériau cible. D'autre part, le robot d'insecte contrôlé soulèvera également une question importante: Comment devrions-nous utiliser des algorithmes biomimétiques pour les applications robotiques qui vont au-delà de la différence entre les insectes et les robots? Par exemple, les récepteurs olfactifs d' insectes ont une capacité exceptionnelle d'acquérir la dynamique temporelle à grande vitesse de concentration d'odeur 44-46, qui est responsable de l' insecte olfactive localisation de la source de traitement et de l' odeur, mais sont bien au - delà des capacités des capteurs de gaz conventionnels 4,29, 47. Comment modifier l'algorithme biomimétique pour répondre à la capacité sensorielle des robots doivent également être explorés comme une direction future. L'autre direction importante est sans aucun doute pour la biologie. Le robot d'insecte contrôlé peut être considéré comme une plate-forme expérimentale en boucle fermée. En outre, la manipulation robotique, d'une manière non-invasive pour modifier la relation sensori-motrice de l'insecte, sera encore utilisée pour étudier comment le petit cerveau d'insecte peut répondre, apprendre et adapter aux nouvelles circonstances.

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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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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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