Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Insect-gecontroleerde Robot: Een mobiele robot platform om de geur-tracking-vermogen van een insect Evalueer

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

Summary

De mogelijkheid een geurbron lokaliseren is noodzakelijk voor insecten overleven en zal gelden voor geurstof-volgen is. Het insect bestuurbare robot wordt aangedreven door een feitelijke silkmoth en stelt ons in staat om de geur volgen vermogen van insecten te evalueren door middel van een robot platform.

Protocol

1. proefdier

  1. Bereid een plastic doos op de poppen van mannelijke silkmoths (B. mori) totdat hun eclosion houden. Zet papieren handdoeken aan de onderkant en stukken karton rond de binnenwand van de doos (Figuur 1A).
    Opmerking: De stukken karton nodig zijn voor de volwassen vlinders te houden terwijl de uitbreiding van hun vleugels tijdens eclosion (Figuur 1A).
  2. Zet mannelijke silkmoth (Bombyx mor i) poppen in de doos en bewaar ze in een incubator totdat eclosion onder een 16-hr: 8-uur licht: donker cyclus bij 25 ° C.
    OPMERKING: De mannelijke en vrouwelijke poppen worden onderscheiden door het geslacht markeringen op de buik (Figuur 1B).
  3. Verzamel volwassen mannelijke motten na eclosion en zet ze in een nieuwe doos.
  4. Houd de volwassen motten in een incubator onder een 16-hr: 8-uur licht: donker cyclus en de temperatuur tot 15 ° C te verlagen om hun activiteit te verminderen voor het experiment.

2. Tethering een Silkmoth

  1. Fabricage van een bevestiging voor tethering (Figuur 2A)
    Opmerking: De bevestiging bestaat uit een koperdraad met een strook van een dunne plastic folie op de punt. Dit garandeert de dorsale-ventrale beweging van de thorax tijdens het lopen (figuur 2B).
    1. Bereid een strook van een dunne plastic folie, 2 × 40 mm (dikte: 0,1 mm), en vouw het in het midden.
    2. Bevestig de gevouwen strip aan het uiteinde van een koperdraad met een hechtmiddel.
    3. Buig de punt van de gevouwen strip waar de thorax van een silkmoth bevestigd.
  2. Gebruik volwassen motten (2-8 dagen oud) in het licht periode voor het experiment.
    Opmerking: De gevoeligheid voor het feromoon sterk afhankelijk van de circadiane klok 18. Omdat B. mori is een dagelijkse mot, moet het experiment worden uitgevoerd tijdens het licht periode.
  3. Verwijder voorzichtig alle schalen op de dorsal thorax (mesonotum) met een stukje natte weefsel (of wattenstaafje) en bloot de cuticula van de mesonotum (figuur 2C).
  4. Plak een hechtmiddel op de strook plastic op de bevestiging en het oppervlak van de blootgestelde mesonotum met een kleine platte schroevendraaier en wacht 5-10 minuten totdat de lijm is niet meer kleverig.
    Opmerking: De lijm moet de vleugel scharnier of de voorvleugel tegulae (figuur 2C) niet aan.
  5. Binden de mesonotum naar de bijlage.
  6. Houd de mot vastgebonden voordat u deze in de cockpit van de robot. Houd het beslag op een stand en zet een stuk papier onder de poten aan de mot rusten.

3. Insect-gecontroleerde Robot

  1. Het ontwerp van de hardware van de insect-gestuurde robot gebaseerd op voorafgaand werk 16,17,19.
    Opmerking: Het insect-gestuurde robot bestaat uit een met lucht ondersteund loopband met een optische muis sensor Capture het insect motoriek, custom-built-AVR-gebaseerde microcontroller boards voor de verwerking en motorische controle, en twee DC borstelloze motoren (figuur 3 en 4). De robot kan draaien op basis van de kogelrotatie met 96% nauwkeurigheid of hoger, binnen een tijdsvertraging van 200 msec. Het zorgt er ook voor de mobiliteit van de maximale rijsnelheid (24,8 mm / sec) en hoeksnelheid (96,3 ° / sec) van de silkmoth tijdens feromoon volggedrag 16. De luchtstroom van de loopband (figuur 5A) en geur afgiftesysteem (figuur 5B) zijn ontworpen voor de onboard mot soepel lopen op de bal en deze eigenschappen te verkrijgen door twee antennes. De luchtinlaat en stromingskanaal van de loopband is gescheiden van die van de geur afgiftesysteem om verontreiniging van het feromoon te voorkomen.
  2. Ontwerp de software voor de onboard microcontrollers gebaseerd op voorafgaand werk 16.
    Opmerking: De on-board microcontroller berekent tHij robotbewegingen van het insect locomotie gemeten met een optische sensor (rotatie, Δ x, translationeel Δ y Figuur 6). De vluchttijd (Δ L) en draai hoek (Δθ) per tijdseenheid van de robot worden berekend op basis van reisafstand van elk wiel (links Δ L L, rechts, Δ L R) zoals Δ L = (Δ L L L + Δ R) / 2 en Δθ = (Δ L L - L Δ R) / D wiel, waarbij D wiel is de afstand tussen de twee wielen (120 mm). Δ L L en Δ L R worden verder beschreven als Δ L L = Δ L x L + Δ Ly, L en Δ L R = Δ L x, R + Δ L y, R, waarbij Δ L x L </ sub> en Δ x L, R zijn de afstanden van de wielen aan de linker en rechterkant gecontroleerd door Δ x en y Δ L, L en L Δ y, R zijn die niet onder Δ y. Idealiter Δ L x, L en Δ L x, R worden beschreven als Δ L x, L = -Δ L x, R = G Δ x (D wiel / D bal), en Δ L y, L en Δ L y , R worden beschreven als Δ y L, L = Δ y L, R = G Δ y, waarin G de motor versterking en D bal is de diameter van de kogel (50 mm). In de praktijk wordt de motor gain autonoom aan elke zijde (links of rechterwiel) en elke richting (voorwaartse of achterwaartse rotatie) om de robot beweging kalibreren ingesteld. De onafhankelijke winsten verder zorgen voor desetting van asymmetrische motor draaien om een ​​draaiende voorspanning van de robot te genereren (zie stap 6.1).
  3. Spoel het oppervlak van een witte polystyreen kogel (gewicht: ongeveer 2 g; diameter: 50 mm) met water om eventuele geur of visuele signalen te verwijderen.
    Opmerking: Het oppervlak van een nieuwe bal worden ruw met fijn schuurpapier korrel, zoals P400, die de hechting van de benen op de bal waarborgt.
  4. Zet de ventilator die lucht levert op 9 V aan de loopband en drijft de bal (figuur 5A). Neem de vlotter ongeveer 2 mm van de bodem van de beker.
  5. Met behulp van een schroef, hechten de koperdraad van de bijlage met de mot (zie stap 2) tot een vaste waarde in de cockpit van de robot (zie figuur 3 inzet). Zorg ervoor dat de positie van het middelste benen in het middelpunt van de kogel (figuur 7A).
  6. Pas de verticale positie van de gehechtheid aan de mot in staat om normaal te lopen op de balle. Houd de bal op dezelfde hoogte vóór en na het bevestigen van de mot (Figuur 7B).
    Opmerking: Een te lage stand die zorgt druk op de mot en lokt achteren lopen om de druk (figuur 7C) weerstaan, terwijl een te hoge positie veroorzaakt instabiele lopen en falen van de sensor als gevolg van veranderingen in de verticale positie van de bal (figuur 7D). Om de normale loopgedrag te controleren, is een single-gepofte feromoon stimulus gebruikt om triggeren wandelen in de mot (voor het feromoon stimulus, zie stap 4). Merk op dat de test stimulus minimaal moet zijn, omdat eerdere blootstelling aan bombykol went silkmoths en vermindert hun gevoeligheid (Matsuyama en Kanzaki, ongepubliceerde gegevens).

4. Geur Bron Voorbereiding

Opmerking: Man B. mori zijn gevoelig voor de belangrijkste component van de soortgenoten vrouwelijke geslacht feromoon (bombykol: (E, Z) -10,12-hexadecadien-1-ol)

  1. Drop 10 ul van de bombykol oplossing in n-hexaan (200 ng / ul) op een stuk filtreerpapier (ongeveer 10 mm x 10 mm). De hoeveelheid bombykol per stuk filterpapier is 2000 ng.
    Opmerking: Om de normale loopgedrag van de mot te controleren, bereidt u een feromoon stimulus patroon in deze stap. De patroon is een glazen Pasteur pipet met een stuk filtreerpapier met 2000 ng bombykol. Het duwen van een gloeilamp blaast de lucht met bombykol.

5. Geur Source Localization Experiment

  1. Schakel de ventilator van een trekkende-air-type windtunnel (1800 × 900 × 300 mm, L x B x H Figuur 8) en stel de windsnelheid 0,7 m / sec. Dat de temperatuur meer dan 20 ° C.
  2. Stel de geur bron (de pIECE van filter met bombykol) stroomopwaarts van de windtunnel.
    Opmerking: De breedte pluim moet vóór het experiment worden bevestigd met TiCl4 17,19.
  3. Schakel de microcontroller raad van bestuur van de robot en de oprichting van een seriële verbinding met een pc via Bluetooth.
  4. Lanceer een op maat gemaakte Java-programma met de naam "Biosignal", die een interface tussen de pc en de robot biedt.
    Opmerking: Het hoofdvenster knoppen voor het verzenden van opdrachten naar de robot, tekst vensters voor het weergeven van de input en output van de seriële communicatie, en doosjes te configureren. De volgende commando's worden verzonden door te klikken op corresponderende knoppen in dit programma, met uitzondering van de video-capturing.
  5. Klik op de "over het apparaat" knop om de verbinding door het sturen van een commando naar de robot via de gespecificeerde COM-poort te bevestigen en te controleren of een bericht wordt geretourneerd door de robot.
  6. Klik op de "memory erase "knop naar de vorige beweging gegevens achtergelaten op de onboard flash-geheugen te wissen.
  7. Klik op de "drivemode1" knop om de standaard motor winsten om de robot te sturen.
    Opmerking: De manipulaties van de motor winsten en de vertraging tussen insect motoriek en robot beweging worden toegepast na deze stap (zie stap 6.1 en 6.3, Figuur 9).
  8. Klik op de knop "niet rijden" naar een commando naar de robot immobiliseren totdat het experiment begint.
  9. Zet de robot op een startpositie (600 mm achter de geur source) en zet de schakelaar van de motor driver board.
  10. Druk op de opnameknop van de camcorder om video-opname te starten.
  11. Klik op de "REC start" knop om een ​​start commando te sturen om de robot te starten met een gelijktijdige registratie van de bal rotatie op de onboard flash-geheugen. Merk op dat de robot begint te bewegen en volgt de geur pluim.
  12. Klik op de"Rec stop" en "niet rijden" knoppen om commando's te sturen naar zowel de robot beweging en de opname te stoppen als de robot lokaliseert de geur bron.
  13. Druk op de opnameknop van de camcorder om video-opname te stoppen.
  14. Download opgenomen motoriek gegevens van de onboard flash-geheugen op de computer via een seriële verbinding. Sluit het programma.

6. Manipulatie van het insect-gecontroleerde Robot

Opmerking: De timing van elke manipulatie is in figuur 9.

  1. Manipulatie van motor winsten
    Opmerking: Deze manipulatie wijzigt de translatie- en rotatiesnelheid van de robot. Asymmetrische motorische vooruitgang genereren draaien voorspanning, die kan worden gebruikt om te onderzoeken hoe insecten compenseren vertekening 17.
    1. Definieer de rotatie voordelen voor voorwaartse en achterwaartse rotatie van de motor aan weerszijden 17 (figuur 6B) Door de waarde the configuratie bestand met de naam "param2.txt" met een teksteditor.
    2. Klik op de "set param2" om de bewerkte configuratiebestand in het programma te lezen. Klik vervolgens op de "drivemode2" naar de gemanipuleerde winsten om de robot te sturen.
  2. Inversie van het motorvermogen
    Opmerking: Deze manipulatie verschaft een toestand vergelijkbaar met de inversie van bilaterale olfactorische ingang (zie stap 6,4) en kan worden gebruikt om de betekenis van bilaterale reukzin onderzoeken. Echter, de omkering van motorvermogen keert ook zelf veroorzaakte visuele beweging van een onboard mot. Het effect van de omgekeerde zelf veroorzaakte visuele input kan worden beoordeeld door een vergelijking met het geïnverteerde olfactorische ingang 19.
    1. Keren de bilaterale motorische controle door het oversteken van de controlekabels voor elke motor.
  3. Manipulatie van de tijdvertraging tussen insect motoriek en robot beweging.
    Let op: Deze manipulatiezorgt voor het onderzoek van de aanvaardbare periode van de tijd besteed aan sensomotorische verwerking voor de robot geur-tracking. De microcontroller slaat de motoriek gegevens op een buffergeheugen en past de verwerking na de opgegeven vertraging. Merk op dat de robot heeft een maximale interne tijdsvertraging van 200 msec; daarom wordt de actuele tijdsvertraging wordt naar de opgegeven tijdvertraging plus 200 msec 16,17 zijn.
    1. Voer een nummer (0-10) in een kleine doos van het hoofdvenster om een ​​vertraging van 0-1,000 msec bij 100 msec stappen opgeven.
    2. Klik op de "set vertraging" knop om de vertraging toe te passen.
  4. Manipulatie van de olfactorische ingang.
    Opmerking: Deze manipulatie kan worden gebruikt om de betekenis van bilaterale olfactorische ingang onderzoeken. De stijging richting van silkmoths bevooroordeeld op de hogere concentratie side 22.
    1. Wijzig de ruimte tussen de zuigbuis tips of invertsuiker hun posities aan de wijzigingverschil in geurconcentratie overgenomen door elke antenne.
  5. Manipulatie van visuele input
    Opmerking: Deze manipulatie is de rol van visuele input geur- tracking onderzoeken.
    1. Bedek de luifel met een white paper dat afsluit 105 ° en 90 ° van de horizontale en verticale gezichtsveld van de onboard mot, respectievelijk.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Wij presenteren hier de basiskenmerken van het insect bestuurbare robot die nodig zijn voor de succesvolle lokalisatie van een geur bron. De vergelijking tussen de robot en silkmoths, de effectiviteit van de geur afgiftesysteem, en de betekenis van nauwkeurige bilaterale olfactorische en visuele input onderzocht.

De vergelijking van geur-tracking-gedrag tussen vrij-walking motten en insecten gestuurde robot is getoond in figuur 10A en B. Onder dezelfde geur omstandigheden, zowel de wandel motten en de robots scoorde slagingspercentages van 100% (wandelen mot, 10 proeven met N = 10 motten, robot, 7 proeven door N = 7 motten). Hoewel de robot vertoonde bredere trajecten ten opzichte van die van de loop- motten, was er geen significant verschil in de tijd tussen de lokalisatie lopen motten en de robot (P2; 0,05, Wilcoxon rank sum-test; mot, mediaan = 46,5 sec, IQR = 36,7, 69,6; robot, mediaan = 48,1 sec, IQR = 44,9, 61,9).

De geur afgiftesysteem (Figuur 5B) is noodzakelijk voor het leveren van de geurstof stroom in de buurt van de vloer tot de antennes van de onboard mot geplaatst 90 mm boven de vloer. Zonder dit systeem (zuig-buizen, ventilatoren, en de luifel), kan de robot niet oriënteren in de richting van de geur bron en bleef cirkelen totdat hij gestopt (alle 10 proeven van N = 5 motten mislukt, figuur 10C). Volgens geprogrammeerde silkmoth gedrag, continue cirkelen is een typische gedrag wanneer een silkmoth niet in slaagt om contact op met de feromonen tijdens oriëntatie 21,22.

Figuur 11 toont representatieve resultaten tonen de manipulaties van de robot. De effectiviteit van een bilaterale olfactorische input for geur tracking werd evaluated door de positie van de buis tips (stap 6,4) of door het omkeren van het motorvermogen (stap 6,2). De robot bereikte succespercentages van 100% met twee spleten tussen de linker en rechter buizen (wide gap [control], 90 mm, 10 proeven met N = 10 motten, nauwe spleet, 20 mm, 10 proeven met N = 10 motten; Figuur 11A, B), en er was geen significant verschil in de tijd lokalisatie tussen deze twee standen buis (P> 0,05, testen Steel Figuur 11E). Anderzijds, de omkering van de buis tips (elke antenne ontvangen geurstof uit de contralaterale zijde, buis gap = 90 mm) verbreed trajecten langs de zijwind richting en enigszins verhoogde mediane tijd lokalisatie, hoewel er geen significant verschil ( P> 0,05, testen Steel Figuur 11C, E). De inversie van motorvermogen levert een soortgelijke situatie als de omgekeerde olfactory ingang; Verder is het omgekeerd ook de zelf veroorzaakte visuele beweging door de onboard mot gekregen. Vanwege de omgekeerde negatieve visuele feedback (dwz positieve feedback), de robot verder cirkelen, zelfs in de geur pluim (figuur 11D), waarbij de tijd aanzienlijk verlengd localisatie (P <0,01, testen Steel Figuur 11E). De rendementen van de olfactorische geïnverteerde ingang (C) en de geïnverteerde motorvermogen (D) was 80% (10 proeven met N = 10 motten) en 90,9% (11 trials op 11 motten), respectievelijk. Een gedetailleerde bespreking van sensomotorische controle bij silkmoths is beschreven in het eerdere werk 19.

Figuur 1
Figuur 1. Het opslaan van silkmoth poppen. (A) Man poppen worden opgeslagen in een plastic doos (links). De volwassen motten houden het karton rond de binnenwand van de box tijdens eclosion (rechts). (B) Sex markeringen van poppen. Elke pijl geeft een kleine plek op de ventrale zijde van negende abdominale segment van de mannelijke en een "X" teken met fijne longitudinale lijn aan de ventrale zijde van de achtste abdominaalsegment van de vrouw. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2
Figuur 2. Tethering een silkmoth. (A) Fabrication van een bijlage voor tethering een silkmoth. De drie stappen worden beschreven in 2.1.1 tot en met 2.1.3 (zie tekst). Een tweevoudige dunne strook kunststof plaat werd bevestigd aan het uiteinde van de koperdraad, die de dorsale-ventrale beweging absorbeert (zie figuur 2B) van de mesonotum tijdens het lopen. De andere, gebogen tip van de draad is voor handling. (B) hogere en lagere houding van een silkmoth tijdens feromoon tracking (zie de hoek tussen het dijbeen en het scheenbeen van de voorbenen [pijlen]). (C) Verwijdering van de schalen op de mesonotum (aangegeven door pijlen). De linker en rechter beelden tonen voor en na het verwijderen van de schalen, resp. De voorvleugel tegulae waren intact (omgeven door stippellijnen). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 3
Figuur 3. Insect bestuurde robot. De inzet toont een vergroot aanzicht van de cockpit. (1) Een vastgebonden silkmoth op een loopband (een met lucht ondersteunde kogel, zie bijvoegsel), (2) twee ventilatoren voor het toevoeren van een geur aan de mot (luchtsnelheid, 0,5 m / sec), (3) zuigbuizen voor het nemen van de geur, (4) DC motoren en wheels, (5) microcontroller boards, (6) een luchtinlaat voor het leveren van lucht naar de bal, (7) het bijhouden van markers voor offline video-analyses, (8), twee LED's om een ​​constante verlichting in de kuip (280 lx) te houden, (9 ) een bevestiging voor tethering de silkmoth, en (10) een bevestiging van de bijlage. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 4
Figuur 4. Hardware diagram. De rotatie van de lucht ondersteunde bol in de tredmolen werd gemeten door een optische muis sensor met een resolutie van 0,254 mm bij een bemonsteringsfrequentie van 1,5 kHz. De microcontrollers berekende de baan van de silkmoth van de sensoroutput en gecontroleerde twee gelijkstroommotoren links en rechts. De motoren werden gedreven door pulsbreedtemodulatie bij 1 kHz, met terugmeldingvan het ingebouwde Hall-sensoren. De sensor uitgang optische (dat wil zeggen, het gedrag van de onboard mot) werd opgeslagen op een onboard flash-geheugen (8 Mbit) bij een sampling rate van 5 Hz. Deze gegevens werden gebruikt voor het vergelijken van het gedrag van de onboard mot met robotbewegingen. De draadloze communicatie tussen een computer (PC) en de robot werd bereikt via Bluetooth, die alleen werd gebruikt voor het verzenden commando starten en stoppen van de robot, of de motor eigenschappen van de robot te manipuleren. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 5
Figuur 5. Airflow ontwerpen voor de loopband en de geur levering systeem. (A) Lucht naar de bal van de loopband te ondersteunen. De lucht werd uit de luchtinlaat achter de cockpit van een ventilator fan; Het stroomde vervolgens door middel van een kanaal en blies van kleine gaten (1-mm diameter) op een custom-made FRP cup (inzet). Het bovenaanzicht van de cup omringd door een rode rechthoek wordt getoond in de inzet. Rode pijlen geven de luchtstroom; de witte pijl, de optische sensor met een LED-zender; en de zwarte pijl, de beker met kleine gaatjes. (B) De luchtstroom van de geur afgiftesysteem. De lucht die de feromoon werd afgezogen uit het uiteinde van een flexibele buis polyethyleen aan beide zijden, gescheiden door een wand in de kap, en geleverd aan de antenne op de ipsilaterale zijde. Luchtstroom aan beide zijden wordt aangeduid met rode of blauwe pijlen. Dit cijfer is gewijzigd ten opzichte van Ando en Kanzaki 19. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 6
Figuur 6. Berekening van de robot beweging van insect motoriek. (A) Een schematische tekening van de robot (Δ L) en wielbewegingen (links Δ LL en rechter, Δ L R). Δθ, draai hoek van de robot. (B) Parameters voor de berekening. Δ x Δ en y de rotationele en translationele beweging van een kogel (een positieve waarde geeft de klok mee of voorwaartse richting); D bal, de diameter van de bal; D wielen, de afstand tussen de wielen; G FW, L en G BW, L, motor winsten van vooruit (FW) of achteruit (BW) rotatie van de linker wiel (L); G FW, R en G BW, R, motor winsten van voren of naar achteren draaien van het rechter wiel (R). Klik op haare voor een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 7
Figuur 7. Aanpassing van de positie van een vastgemaakte mot op de loopband. (A) Het zijaanzicht van een vastgemaakte mot op een bal. De middelste benen moeten aan de bovenkant van de bal (zwarte pijl) worden geplaatst. (B) De juiste verticale positie van de mot. De optische sensor achter de mot kijkt uit op het midden van de bal. Normaal vooruit lopen draait de bal met de klok mee (gezien vanaf de linkerkant). (C) De verticale positie te laag is (pijl omlaag). De silkmoth breidt de voorpoten om de druk te weerstaan ​​en draait de bal naar achteren (tegen de klok in draaien). (D) De verticale positie is te hoog (boven de pijl). De mot houdt de bal en tilt het op. Hoewel de mot naar voren kan uitvoeren lopen in deze situatie 23 Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 8
Figuur 8. Wind tunnel. De lucht werd gefilterd met een mesh panel (rode pijl); Het kwam dan de opname gebied van een camcorder, 1500 (L) x 900 (W) mm. De geur bron werd stroomopwaarts van de opname gebied geplaatst en de-feromoon verontreinigde lucht was buiten uitgeput door een fan (blauwe pijl). De wind tunnel werd gemaakt van geëxtrudeerd polystyreenschuim. Het plafond was een transparant acryl plaat, en de vloer was een rubberen mat om uitglijden te voorkomen van de robot wielen. De geur bron wzoals in het middelpunt van de zijwind positie en 250 mm wind van de mazen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 9
Figuur 9. Timings van manipulaties van de robot in het protocol. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 10
Figuur 10. Geur bronlokalisatie testen. Elk paneel toont de banen van de silkmoths (A; 10 proeven met N = 10 motten; data van Ando et al. 17), het insect bestuurbare robot ( N = 7 motten), en de robot zonder geur afgiftesysteem (C; 10 proeven met N = 5 motten). De motten of de robot gestart 600 mm downwind (pijlpunt) van een geur bron (cross mark, een stuk filter met 2000 ng bombykol). De proeven met de kortste of de langste duur van lokalisatie aangeduid als rode en blauwe lijnen, resp. De andere succesvolle proeven zijn gekleurd grijs, en mislukte proeven zijn groen. Een cirkel geeft het doelgebied voor de beoordeling van het succes in de lokalisatie. De straal van het doelgebied is vastgesteld op basis van de omvang van de robot, gelijk aan de kortste afstand tussen de onboard mot en de geurbron 17. Een pijl geeft de windrichting (windsnelheid: 0,7 m / sec), en gestippelde lijnen geven de grenzen van het feromoon pluim. Klik hier voor een grotere weergaveversie van deze figuur.

figuur 11
Figuur 11. Manipulatie van de olfactorische ingang en de motoruitgang. Elk paneel toont succesvolle banen van de robot (de positie van de onboard mot) met een brede buis spleet (A, controle, 90 mm, succesvol in alle 10 proeven met N = 10 motten), een nauwe spleet (B; 20 mm , succesvol in alle 10 proeven met N = 10 motten), een omgekeerde brede buis gap (C, succesvol in 8 van 10 proeven, N = 10 motten), en een brede buis gap met omgekeerde motoruitgang (D; succes 10 van 11 proeven, n = 11 motten). Het repetitieve lucht trekjes door een stuk van de filter met 2000 ng bombykol werden vrijgelaten uit het kruis merk. De grijze en witte pijlen met de robot geven de oriëntaties van bilaterale olfactorische input en motor output. De andere experimentele condities en figuur beschrijvingen zijn hetzelfde als in Figuur 10. (E) Tijd om de lokalisatie van de robot onder de vier voorwaarden (AD). Individuele gegevens worden samengevat in een staafdiagram. De linker en rechterzijde van het vak aan te geven de eerste en derde kwartiel, en de bar is de mediaan. De snorharen geven de 1,5 x interkwartielafstand. Sterretjes geven een significant verschil met de besturingdata (A) volgens proef Steel (** P <0,01). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De belangrijkste punten voor de succesvolle controle van de robot door een silkmoth zijn verhuur van de mot lopen soepel over the-air ondersteunde bal en stabiel meten van de bal rotatie. Daarom tethering de silkmoth en monteren deze op de bal op de juiste plaats zijn de kritische stappen in dit protocol. Ongeschikt hechting van de mot de aan- resp ongepaste positionering van de mot op de bal zal onnatuurlijke druk op, die de normale loopgedrag verstoort en / of veroorzaakt een falen van de optische sensor naar de kogelrotatie meten veroorzaken. Opruwen de bal polystyreen is ook belangrijk om te voorkomen dat de mot wegglijdt. De motoriek van de tethered mot in reactie op stimuli geur en de daaropvolgende robot beweging moet zorgvuldig worden gecontroleerd voorafgaand aan de geur-tracking-toets (zie stap 3.6).

Het gebruik van een grotere bal beter omdat het de kromming van de loopband, die een bijna voorziet afneemtplat vlak voor het insect benen. De 50-mm kogel hier gebruikt is relatief klein vergeleken met die in de gebruikelijke opstelling voor silkmoths loopband (diameter: 75 mm) 24. Er moet echter een grotere (en zwaardere) ball zorgvuldig worden gebruikt, omdat de traagheid van de bal is niet te verwaarlozen tijdens de robot bewegingen. Als een onboard mot de inertie-force-geïnduceerde rotatie van een bal niet kan bedwingen tijdens robot bewegingen door zijn poten, het robot oscilleert voortdurend zonder wandelen door de mot. Wanneer onderzoekers gekeken naar het gebruik van andere insectensoorten derhalve de bal grootte moeten worden geselecteerd op basis van de kracht van hun benen handgrepen en hun afmetingen. Tijdens geurbron lokalisatie, moeten onderzoekers ook controleren of het gedrag van de mot-of een onboard mot loopt soepel op de bal en de robot reageert snel als de mot beweegt. De silkmoth vertoont achteruit lopen als het te veel druk van de bijlage (een te lage positie ontvangt, zie figuur 5B). Slechte responsiviteit van de robot insect motoriek is te wijten aan ongepaste bal positie of de uitputting van de batterijen (de batterijen ongeveer 30 min).

De beperking van de insect-gestuurde robot is dat de onboard mot zeker zich onder onnatuurlijke omstandigheden. De loopband, de geur levering systeem, en de 90 mm hoogte van de cockpit bieden verschillende zintuiglijke informatie (mechanosensorische, olfactorische en visueel) van die overgenomen door vrij-walking motten. Deze verschillen werd duidelijk toen we het gedrag van de insecten bestuurbare robot met die van vrij-wandelen silkmoths vergeleken. Bijvoorbeeld, hoewel de zelfde prestaties voor geurbron lokalisatie werd waargenomen tussen de robot en de vrij-walking silkmoths, de banen van de robot waren schaars langs de zijwind richting, terwijl die van de vrij-walking silkmoths geconvergeerd mocht de geurbron bereikt volgens de afname van pluim breedte (Figuur 10A, B). Dit verschil is gewoon te wijten aan de verschillende afmetingen van de robot en motten. Met name de afstand tussen de onboard mot en de buis tip bepaalt het bereik voor het zoeken geurstoffen; dus de grotere afstand (robot: 100 mm; mot: ongeveer 10 mm van de thorax aan de antenne tip) kan de robot ook buiten de pluim te activeren. Bovendien kan de mot in de kruin niet ontvangen van de windrichting van de externe omgeving. Hoewel het belang van de windrichting bij geurloos volgen nog niet in silkmoths 22 bepaald, het gebruik van stroomrichting is een belangrijke strategie voor het geur tracking in andere organismen 5,6. Vanwege de beperkingen luchtstroom gegenereerd door de geur afgiftesysteem, is het ook moeilijkom rekening te houden "actieve sensing ', zoals het effect van de vleugels klapperen die de luchtstroom genereert en faciliteert geur ontvangst in silkmoths 25. Vanwege deze beperkingen, als onderzoekers gebruiken deze techniek om het gebruik van meerdere modaliteiten onderzoeken, moet worden besproken of de resultaten die deze robot experimenten resultaten kunnen worden toegepast op intacte insecten in natuurlijke omstandigheden 19.

Het insect gestuurde robot voldeed aan drie eisen voor de beoordeling van de geur-volgvermogen van insecten: 1) directe koppeling van insecten motorische opdrachten control robot, 2) het testen in een echte geur pluim en 3) zodat de manipulatie van het insect sensomotorische systeem. De eerste betreft het grensvlak tussen insecten en een robot, het gebruik van neurale signalen voor het besturen van een robot, bijvoorbeeld een brain-machine-interface 26, is een alternatieve techniek. Verschillende studies over insecten gebruiken neurale signalen of elektromyogrammen voor samenwerkingntrol van een robot en gesloten feedback loops 27-30. Echter, deze benadering vereist het decoderen van neurale signalen naar betekenisvolle motor commando's, dat is een belangrijk en lopend onderzoek onderworpen in de neurowetenschappen te extraheren. Daarom is het gebruik van werkelijke loopgedrag van insecten voor robotbesturing een directe en eenvoudige manier om het insect motor commando interface met een robot. Ten tweede, met betrekking tot de omgeving waarin de robot gedraagt, het gebruik van virtuele werkelijkheid zou een alternatief zijn 13,31-33. Virtual reality kunnen wij gedragsexperimenten onder meer gecontroleerde omstandigheden te voeren en is het meest succesvol in de studie gezichtsveld, wanneer de lucht ondersteunde loopband gebruikt voor het bijhouden dieren motoriek en genereren van grafische omstandigheden 24,34-36. Echter, het sluiten van de terugkoppeling van olfactorische informatie is technisch moeilijk, omdat het zeer nauwkeurige controle vereist. Hoewel de toepassing van optogenetics tot olfactorische receptor n activereneurons 37-40 de beperkingen van virtual reality reukzin overwinnen, zou het gebruik van een mobiele robot in een echte geur pluim een betrouwbare manier om een olfactorisch vast gesloten lus aanwezig zijn. Tot slot, met betrekking tot de manipulatie van sensomotorische systeem van een insect, zouden alternatieve benaderingen zijn chirurgische manipulaties van de insecten (dat wil zeggen, het snijden of af te dekken zintuigen of aanhangsels 41). Echter, ons robot manipulatie (stap 6 en figuur 11) is een niet-invasieve en omkeerbare manier om de sensomotorische systeem insecten, bereikt door manipulatie van de robot platform 19 te wijzigen en de bestuurbaarheid van verschillende parameters van de robot mogelijk maakt ons om de prestaties onder verschillende omstandigheden te testen.

Het insect bestuurbare robot heeft twee belangrijke aanwijzingen voor toekomstige toepassingen. De eerste richting is voor engineering. Als een autonome robot bestuurd door de insecten sensomotorische systeem, de insect bestuurde robot een referentie voor mobiele robots geïmplementeerd biologische modellen, van vereenvoudigde Braitenberg voertuigen 42 grootschalige neurale netwerken. Het insect bestuurbare robot zal ook een nuttig platform voor het testen van mogelijke combinaties van andere modaliteiten met insect geur-tracking, zoals de implementatie van een camera en een algoritme om aanvaringen te voorkomen botsing-vrij geur-tracking-algoritmes te verkennen. Bovendien kan fine-tuning van de robot eigenschappen van de geur het bijhouden van de prestaties beter zijn dan intact insecten te verbeteren. Dergelijke vertaling van het insect vermogen kan leiden tot het praktische gebruik van deze robot zelf voor het vinden van gevaarlijke stoffen, als we imiteren de transgene silkmoths 43 die reageren op kenmerkende chemicaliën in een doelmateriaal. Aan de andere kant zal het insect bestuurbare robot roepen ook een belangrijke vraag: Hoe moeten we gebruiken biomimetic algoritmen voor robottoepassingen die verder reiken dan de diffeRenče tussen insecten en robots? Bijvoorbeeld, insect olfactorische receptoren hebben een uitstekende mogelijkheid om high-speed temporele dynamiek van geurconcentratie 44-46, die verantwoordelijk is voor insecten olfactorische verwerking en geur bronlokalisatie verwerven, maar veel verder dan de mogelijkheden van de conventionele gas sensoren 4,29, 47. Hoe de biomimetic algoritme te wijzigen om de zintuiglijke vermogen van robots moet ook worden onderzocht als een toekomstige richting te ontmoeten. De andere belangrijke richting is zeker voor de biologie. Het insect bestuurbare robot kan worden beschouwd als een closed-loop experimenteel platform. Daarnaast zijn robotachtig manipulatie, een niet-invasieve manier om het insect sensomotorische relatie te veranderen, zal verder worden toegepast om te onderzoeken hoe de kleine insect hersenen kunnen reageren, te leren en aan te passen aan nieuwe omstandigheden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Tags

Neuroscience silkmoth insect geur-tracking feromoon visie multisensorische integratie insect-machine hybride robot biomimetics
Insect-gecontroleerde Robot: Een mobiele robot platform om de geur-tracking-vermogen van een insect Evalueer
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Ando, N., Emoto, S., Kanzaki, R.… More

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

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter