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Neuroscience

곤충 제어 로봇 : 이동 로봇 플랫폼은 곤충의 냄새 추적 능력을 평가하는

doi: 10.3791/54802 Published: December 19, 2016

Summary

냄새 소스 지역화하는 능력 벌레의 생존에 필요한 인공 냄새 추적에 적용될 것으로 기대된다. 곤충 제어 로봇은 실제 silkmoth에 의해 구동 로봇 플랫폼을 통해 곤충의 냄새 추적 능력을 평가하기 위해 우리가 할 수있다.

Protocol

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1. 실험 동물

  1. 자신의 우화까지 남성 silkmoths의 번데기 (B. 모리)를 유지하는 플라스틱 상자를 준비합니다. 넣어 종이 하단에 수건 상자 (그림 1A)의 내벽 주위에 종이 조각.
    참고 : 우화 (그림 1A) 동안 날개를 확장하면서 성인 나방가 개최하는 종이의 조각이 필요합니다.
  2. 넣어 남성 silkmoth (봄 빅스 MOR ⅰ) 상자에 번데기 및 16 시간에서 우화까지 인큐베이터에 보관 : 25 ° C에서 어두운주기 : 8 시간 빛.
    참고 : 남성과 여성의 번데기는 복부 (그림 1B)에 성 표시에 의해 구별 될 수있다.
  3. 우화 후 성인 남성 나방을 수집하고 새로운 상자로 이동합니다.
  4. 8 시간 빛 : 16 시간에서 인큐베이터에서 성인 나방 유지 어두운주기 및 실험 전에 활동을 줄이기 위해 15 ° C까지 온도를 낮 춥니 다.

2. Silkmoth을 테 더링

  1. 테 더링에 대한 첨부 파일의 제작 (그림 2A)
    참고 : 첨부 파일의 끝에 얇은 플라스틱 시트의 스트립 구리 와이어로 구성된다. 이 (그림 2B)를 보행시 흉부의 지느러미 - 복부 운동을 보장합니다.
    1. 얇은 플라스틱 시트의 스트립을 2 × 40 mm 준비 (두께 : 0.1 mm)를 중간으로 접은.
    2. 접착제와 구리 와이어의 끝 부분에 접힌 스트립을 부착합니다.
    3. silkmoth의 흉부가 부착되어 접힌 스트립의 끝을 구부리십시오.
  2. 실험의 빛 기간 동안 (2-8일 세) 성인 나방을 사용합니다.
    참고 : 페로몬에 대한 감도가 강하게 일 주기성 시계 (18)에 따라 달라집니다. B. 모리가 일주 엄하기 때문에, 실험은 점등 기간 동안 수행되어야한다.
  3. 조심스럽게 DOR의 모든 비늘을 제거남자 이름 물티슈 (또는 면봉)의 조각을 사용하여 흉부 (mesonotum)와 mesonotum (그림 2C)의 표피를 노출합니다.
  4. 첨부 파일에 플라스틱 스트립과 작은 일자 드라이버로 노출 된 mesonotum의 표면에 접착제를 붙여 접착제가 더 이상 끈적 때까지 5 ~ 10 분을 기다려야합니다.
    참고 : 접착제가 날개 힌지 또는 앞날개의 tegulae (그림 2C)을 터치하지 않아야합니다.
  5. 첨부 파일에 mesonotum을 결합.
  6. 로봇의 조종석 내부를 배치하기 전에 닿는 나방을 유지합니다. 스탠드에 부착을 잡고 나방 휴식을 다리 아래에 종이를 넣어.

3. 곤충 제어 로봇

  1. 이전 작품 16,17,19에 따라 곤충 제어 로봇의 하드웨어를 디자인합니다.
    참고 : 곤충 제어 로봇 CAPTUR하는 광 마우스 센서가 공기 지원 디딜 방아로 구성E 곤충 운동, 처리 및 모터 제어, 2 개의 DC 브러시리스 모터에 대한 맞춤형 AVR 기반 마이크로 컨트롤러 보드 (도 3 및도 4). 로봇은 200 밀리 초를 지연 시간 이내에 96 % 이상의 정확도로 볼의 회전에 기초하여 실행할 수있다. 또한 페로몬 추적 동작 (16) 동안 silkmoth의 최대 전진 속도의 이동성 (24.8 mm / 초) 및 각속도 (96.3 ° / 초)을 보장한다. 온보드 나방 공에 부드럽게 걸어와 두 개의 안테나에 의해 냄새를 획득하는 디딜 방아 (그림 5A) 및 악취 전달 시스템 (그림 5B)의 공기 흐름 설계되었습니다. 트레드밀의 흡기 및 흐름 채널은 페로몬의 오염을 방지하기 위해 악취 전달 시스템들로부터 분리된다.
  2. 이전 작품 16을 기반으로 내장 마이크로 컨트롤러 용 소프트웨어를 디자인합니다.
    참고 : 내장 된 마이크로 컨트롤러 t를 계산그는 광학 센서로 측정 곤충 운동에서 로봇의 움직임 (회전, Δ는 X, 번역, Δ y를, 그림 6). (예 Δ의 L = 같은 Δ를 상기 이동 거리 (Δ의 L) 및 각 차륜 (오른쪽, Δ L R 왼쪽 Δ 리터 L)의 이동 거리에 기초하여 계산되며, 로봇의 단위 시간당 각 (Δθ)을 켜 D 바퀴 바퀴 (120mm) 사이의 거리입니다 Δ의 L의 R) / D 휠, - L의 L + Δ의 L의 R) / 2, Δθ = (Δ L의 L. Δ의 L L과 Δ L R 추가 Δ의 L의 L로 설명되어 있습니다 = Δ의 L의 X, L + Δ의 L, Y, L 및 Δ L의 R = Δ의 L의 X, R + Δ의 L y를, R, Δ의 L의 X, L </ 서브> 및 Δ의 L의 X, R은 Δ X로 제어 좌우의 바퀴의 주행 거리 및 Δ의 L의 Y, L 및 Δ의 L의 예이고, R은 Δ y를 제어 것들이다. 이상적으로, Δ L의 X, L 및 Δ의 L의 X, R은 Δ의 L의 X, L = -Δ의 L의 X, R = G Δ의 × (D / D 공), 및 Δ의 L y를, L 및 Δ의 L (y)으로서 설명되어 있습니다 , R은 G 모터 이득이고, D 공 (50mm)의 직경 Δ의 L y를, L = Δ의 L y를, R = G Δ y를 설명한다. 실제로, 모터의 이득은 독립적으로 로봇 이동을 보정하도록 각 측면 (좌측 또는 우측 휠)에 의해 각각의 방향 (순방향 또는 역방향 회전)에 의해 설정된다. 독립적 인 이득은 상기 허용로봇의 선회 바이어스를 생성하는 비대칭 모터 회전 수의 설정 (단계 6.1 참조).
  3. 흰색 발포 폴리스티렌 공의 표면 세척 (질량 : 약 2 g의 직경 : 50mm) 물을 가능한 후각이나 시각 신호를 제거 할 수 있습니다.
    참고 : 새 공의 표면은 공을 다리의 그립을 보장 같은 P400 미세 그릿 샌드페이퍼, 함께 거칠게해야한다.
  4. 디딜 방아 9 V에 공기를 공급하고, 볼 (그림 5A)를 수레 송풍 팬의 전원을 켭니다. 볼이 컵의 바닥으로부터 약 2mm 플로트 관찰한다.
  5. 나사를 사용 나방과의 부착 구리 와이어를 연결 (도 3 인셋 참조) 로봇의 조종석 조명기한다 (단계 2 참조). 중간 다리의 위치가 공 (도 7a)의 중심에 있는지 확인합니다.
  6. ㄴ 정상적으로 걸을 수 나방을 사용하려면 첨부 파일의 수직 위치를 조정모든. 이전과 나방 (그림 7B)를 부착 한 후 동일한 높이로 공을 보관하십시오.
    참고 : 첨부 파일의 너무 낮은 위치 때문에의 수직 위치의 변화에 나방에 압력을 추가하고 너무 높은 위치가 불안정 걷고 센서의 고장이 발생하는 반면, 압력 (그림 7C)에 저항하는 뒤로 걷기를 이끌어 공 (그림 7D). 정상 보행 동작을 확인하려면, 단일 부풀어 페로몬 자극이 방에 걸어 트리거하는 데 사용됩니다 (페로몬의 자극에 대해 4 단계 참조). bombykol 이전 노출 silkmoths을 habituates 및 감도 (마츠야마와 자키, 게시되지 않은 데이터)를 감소하기 때문에 테스트 자극을 최소화해야합니다.

4. 냄새 자료 준비

참고 : 남성 B. 모리가 conspecific 여성 섹스 페로몬의 주요 요소에 민감한 (bombykol : (E, Z) -10,12가-hexadecadien -1- 올)

  1. 여과지 (약 10mm × 10mm)의 조각에 n- 헥산 (200 NG / μL)에 용해 bombykol 용액 10 μL 놓는다. 여과지 개당 bombykol의 양은 2000 NG이다.
    참고 : 나방의 정상적인 보행 동작을 확인이 단계에서 페로몬 자극 카트리지를 준비하려면. 카트리지는 여과지의 한 조각 bombykol 2,000 NG 함유 유리 파스퇴르 피펫이다. 전구를 추진하는 것은 공기가 포함 bombykol을 내뿜.

5. 냄새 소스 현지화 실험

  1. 0.7 m / 초로 설정하고 바람 속도, 인상 공기 형 풍동 (그림 8 1,800 × 900 × 300mm, L × W × H)의 팬의 전원을 켭니다. 온도가 20 ° C인지 확인합니다.
  2. 냄새의 소스를 설정합니다 (P풍동 상류 bombykol 함유 여과지)의 IECE.
    주 : 기둥의 폭은 TiCl4 (17, 19)를 사용하여 실험을하기 전에 확인한다.
  3. 로봇의 마이크로 컨트롤러 보드의 전원을 켜고 블루투스를 통해 PC에 직렬 연결을 설정합니다.
  4. PC와 로봇 사이의 인터페이스를 제공한다 "생체 신호"라는 사용자 지정 만든 자바 프로그램을 실행합니다.
    주 : 메인 윈도우 로봇에 명령을 송신하기위한 버튼과, 파라미터를 설정하기 위해 입력 및 출력 직렬 통신, 작은 박스를 표시하기위한 텍스트 창. 후속 명령은 비디오 캡처를 제외하고,이 프로그램에 해당하는 버튼을 클릭하여 전송됩니다.
  5. 지정된 COM 포트를 통해 로봇에 명령을 전송하여 연결을 확인하고 메시지가 로봇에 의해 반환되는 것을 확인하기 위해 "장치에 대한"버튼을 클릭합니다.
  6. 은 "메모를 클릭공예 지우기 "버튼을 눌러 내장 플래시 메모리에 남아있는 이전의 운동 데이터를 삭제합니다.
  7. 로봇에 대한 기본 모터 이익을 보내 "drivemode1"버튼을 클릭합니다.
    주 : 모터 이득 곤충 식 이동 로봇의 운동 간의 시간 지연 조작이 단계 후 (단계 6.1 및 6.3,도 9 참조)에 적용된다.
  8. 실험이 시작될 때까지 로봇을 고정하는 명령을 보낼 수있는 "운전하지 않는다"버튼을 클릭합니다.
  9. 시작 위치 (냄새 소스에서 600mm 하류)에서 로봇을 넣고 모터 드라이버 보드의 스위치를 켭니다.
  10. 비디오 캡처를 시작 캠코더의 녹화 버튼을 누릅니다.
  11. 내장 플래시 메모리에 공 회전의 동시 녹음으로 로봇을 시작하는 시작 명령을 보낼 수있는 "녹화 시작"버튼을 클릭합니다. 로봇이 움직이기 시작하고 냄새 깃털을 추적 관찰.
  12. 온 클릭"REC 정지"및 로봇 냄새 소스 편재하는 경우, 로봇의 이동 및 기록 모두 정지 명령을 보낼 버튼 "을 구동하지 않는다."
  13. 비디오 캡처를 중지하려면 캠코더의 녹화 버튼을 누릅니다.
  14. 다운로드 직렬 연결을 통해 컴퓨터에 내장 된 플래시 메모리에서 운동 데이터를 기록했다. 프로그램을 닫습니다.

곤충 제어 로봇의 6 조작

주 : 각 조작의 타이밍은 그림 9에 표시됩니다.

  1. 모터 이익의 조작
    주 :이 조작 로봇의 병진 및 회전 속도를 변경합니다. 비대칭 모터 이득 곤충 바이어스 (17)를 보상하는 방법을 조사하기 위해 사용될 수있는 전환의 바이어스를 생성한다.
    1. 편집 번째로 앞으로 각면 (17) (그림 6B)에 모터의 역 회전 회전 이익을 정의전자 구성 파일은 텍스트 편집기를 사용하여 "param2.txt"라는.
    2. 소프트웨어 프로그램의 편집 된 구성 파일을 읽을 수있는 "설정 PARAM2"을 클릭합니다. 그런 다음, 로봇의 조작 이득을 보내 "drivemode2"을 클릭합니다.
  2. 모터 출력 반전
    주 :이 조작 양자 후각 입력의 반전과 동일한 조건을 제공한다 (단계 6.4 참조), 양자 후각의 중요성을 조사하는데 사용될 수있다. 그러나, 모터의 출력의 반전은 온보드 나방 자려 시각적 움직임을 반전시킨다. 반전 자려 영상 입력의 영향은 후각 반전 입력 (19)과 비교하여 평가할 수있다.
    1. 각 모터 제어 케이블을 횡단하여 양자 모터 제어를 전환.
  3. 곤충 식 이동 로봇의 운동 간의 시간 지연 조작.
    주 :이 조작을로봇 냄새 추적 감각 모터 처리에 소요되는 시간의 허용 기간의 조사를 할 수 있습니다. 마이크로 컨트롤러는 버퍼 메모리의 운동 데이터를 저장 한 후, 지정된 시간 지연 후 처리한다. 로봇이 200 밀리의 최대 내부 시간 지연이 있습니다; 따라서, 실제 시간 지연을 지정된 시간 지연 더하기 200 밀리 16,17 것으로 예상된다.
    1. 메인 윈도우의 작은 상자에 입력 (0-10)에서 숫자는 100 밀리 단계에서 0-1,000 밀리 초에서 시간 지연을 지정합니다.
    2. 시간 지연을 적용하려면 "설정 지연"버튼을 클릭합니다.
  4. 후각 입력 조작.
    주 :이 조작 양자 후각 입력의 중요성을 조사하는데 사용될 수있다. silkmoths의 서지 방향은 높은 농도의 측면 (22) 상에 편향된다.
    1. 흡입관 팁 사이의 간격을 변경하거나 변경하기 위해 자신의 위치를 ​​반전각각의 안테나에 의해 취득 된 악취 농도 차이.
  5. 영상 입력의 조작
    주 :이 조작 냄새 추적에 대한 시각적 입력의 역할을 조사하는 것입니다.
    1. 각각 온보드 나방의 수평 및 수직 시야의 105 ° 및 90 ° 폐색 백서와 캐노피를 커버.

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Representative Results

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우리는 여기서 악취 소스의 성공적인 위치 파악에 필요한 제어 곤충 로봇의 기본 특성을 제시한다. 로봇과 silkmoths, 악취 전달 시스템의 효율성 및 정확성 양자 후각 시각적 입력의 의미의 비교 검사한다.

자유롭게 산책 나방과 곤충 제어 로봇 사이의 냄새 추적 행동의 비교는 그림 10A와 B에 표시됩니다. 같은 냄새 상황에서 도보 나방과 로봇 모두 100 %의 성공률 (, 로봇, N = 7 나방 7 시험 산책 나방, N = 10 나방 10 시험)을 얻었습니다. 로봇이 보행 나방에 비해 넓은 궤적을 나타내더라도, 보행 나방과 로봇 사이의 위치 파악의 시간에서 유의 한 차이 (P가 없었다2; 0.05, 윌 콕슨 순위 합 테스트; 나방, 중앙값 = 46.5 초, IQR은 69.6, 36.7 =; 로봇, 중앙값 = 48.1 초, IQR)는 44.9, 61.9을 =.

냄새 전달 시스템 (도 5b)의 바닥 위에 90mm 배치 온보드 엄의 안테나에 바닥 근처 취제 흐름을 공급하는 것이 필요하다. 이 시스템 (흡입관, 팬, 캐노피)없이, 로봇이 냄새 소스쪽으로 향하게하고 정지 할 때까지 선회 계속 없었다 (N = 5 방별로 모든 10 시도는도 10C, 실패). 프로그램 silkmoth 동작에 따르면, 연속 선회는 silkmoth가 방향 (21, 22) 중 페로몬에 문의하는 데 실패 전형적인 행동이다.

그림 11은 로봇의 조작을 보여주는 대표적인 결과를 보여줍니다. 냄새 추적을위한 양자 후각 입력의 효과는 evaluat했다튜브 팁 (단계 6.4)의 위치를 ​​변경하거나, 모터 출력 (단계 6.2)를 반전시킴으로써, 에드. 좁은 간격, 20mm, N = 10 나방 10 시험, 왼쪽과 오른쪽 튜브 사이에 두 개의 서로 다른 갭 (격차 [제어], 90mm, N = 10 나방 10 시험 100 %의 로봇 달성 성공률; 도 11A, B) 및 이들 두 튜브 위치 (P> 0.05, 강철의 테스트 사이 지역화의 시간 차이가 없었다;도 11E). (유의 한 차이가 없었지만 한편, 튜브 팁의 반전은 측풍 방향 궤적 넓어 약간 현지화 시간의 평균 증가 (각각의 안테나가 튜브 간극 = 90mm는 반대측으로부터 취제를 수신) P> 0.05, 철강의 테스트도 11C, E). 모터 출력의 반전은 반전 olfacto와 유사한 상황을 제공한다공예 입력; 게다가, 그것은 또한 온보드 방에 의해 수신 된 상기 자기 유도 시각적 움직임을 반전시킨다. 때문에 반전 음의 시각적 피드백 (즉, 긍정적 인 피드백)의 로봇도 크게 현지화에 시간을 길게 냄새 깃털 (그림 11D)에, 돌고 계속했다 (P <0.01, 철강의 테스트도 11E). 반전 후각 입력 (C)와 반전 모터 출력 (D)의 성공률은 각각 80 % (N = 10 나방 10 시험) 및 90.9 % (11 나방에 의해 11 시험)이었다. silkmoths 감각 모터 제어의 상세한 설명은 이전 작업 (19)에 기재되어있다.

그림 1
silkmoth의 번데기 1. 보관 그림. (A) 남성 번데기는 플라스틱 박스 (왼쪽)에 저장된다. 성인 나방은 (b)의 내벽 주위의 판지를 개최우화 (오른쪽) 동안 소. 번데기의 (B) 섹스에 관한 표시. 각 화살표는 아홉 번째 복부 남성의 세그먼트와 여성의 제 8 복부 세그먼트의 복부 측면에 벌금, 세로 줄에 "X"마크의 복부 측면에 작은 반점을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2
그림 2. silkmoth을 테 더링. silkmoth을 테 더링에 대한 첨부 파일의 (A) 제작. 세 단계 (텍스트 참조) 2.1.3에 2.1.1에 설명되어 있습니다. 얇은 플라스틱 시트의 2 배 스트립 지느러미 - 복부 운동을 흡수하는 구리 와이어의 선단에 부착 된 보행시 mesonotum의 (도 2B 참조). 와이어의 다른 곡선 팁 하역장입니다NG. (B) 추적 페로몬 동안 silkmoth의 높고 낮은 자세 (대퇴골 및 앞다리 [화살표]의 경골 사이의 각도를 참조). mesonotum에 비늘의 (C) 제거는 (화살촉으로 표시). 좌측 및 우측 이미지 각각 전후 스케일의 제거를 나타낸다. 앞날개의 tegulae은 (점선으로 둘러싸인) 그대로였다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3
그림 3. 로봇 곤충 제어. 삽입 된 조종석의 확대보기를 보여줍니다. (1) 트레드밀 (공기지지 공, 인셋 참조)의 속박 silkmoth (2)을내어, 나방 내지 (3), 흡입 튜브 (풍속 0.5 m / 초) 냄새를 공급하기위한 두 개의 팬 냄새, (4) DC 모터와 갔지ELS (5) 마이크로 컨트롤러 보드 (6)의 볼에 공기를 공급하는 공기 흡입구 (7) 오프라인 비디오 추적 마커, (8)는 두 개의 LED가 구 (운전석 (280 룩스)에 일정 조도를 유지 분석 )를 silkmoth 및 (10) 첨부 파일의 고정을 테 더링에 대한 첨부. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4
4. 하드웨어도가. 트레드밀의 공기지지 볼의 회전은 1.5 kHz의 샘플링 레이트에서 0.254 mm의 분해능을 갖는 광 마우스 센서에 의해 측정 하였다. 마이크로 컨트롤러는 상기 센서 출력으로부터 silkmoth의 궤적을 산출하고, 좌우 양측에 두 개의 DC 모터를 제어. 모터는 위치 피드백, 1 kHz에서 펄스 폭 변조에 의해 주도되었다에서 내장 홀 센서. 광 센서의 출력 (즉, 온보드 엄의 동작)은 5 Hz의 샘플링 속도에서의 내장 플래시 메모리 (8 메가 비트)에 저장 하였다. 이러한 데이터는 로봇 움직임 온보드 나방의 행동을 비교하기 위해 사용 하였다. 컴퓨터 (PC)와 로봇 사이의 무선 통신은 시작하고 로봇을 중지하거나 로봇의 모터 특성을 조작하는 명령을 전송에 사용 된 블루투스를 통해 달성되었다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5
그림 러닝 머신과 냄새 전달 시스템 5. 공기 흐름 설계. (A) 공기 흐름은 러닝 머신의 공을 지원합니다. 공기는 송풍기 FA로 조종석 뒤에있는 공기 흡입구에서 찍은엔; 그런 다음 채널을 통해 유입 및 주문 제작 FRP 컵 (삽입)에 작은 구멍 (1-mm 직경)로부터 불었다. 빨간색 사각형으로 둘러싸인 컵의 상위 뷰는 삽입에 표시됩니다. 빨간색 화살표는 공기 흐름을 나타냅니다; 흰색 화살표는 LED 송신기와 광 센서; 과 검은 색 화살표, 작은 구멍과 컵. (B) 악취 전달 시스템의 공기 흐름. 페로몬을 함유하는 공기가 캐노피의 파티션으로 구분 된 각각의면에가요 성 폴리에틸렌 관의 선단으로부터 흡인하고, 동측의 안테나로 전달 하였다. 양쪽에 공기 흐름은 빨간색이나 파란색 화살표로 표시됩니다. 이 수치는 안도하고 간 자키 (19)에서 수정되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 6
곤충의 보행 로봇 운동의 제 계산도. (A)는 로봇 (Δ의 L) 및 휠의 움직임을 나타내는 개략도 (Δ L의 L과, 오른쪽 Δ L R을 왼쪽). Δθ는 로봇의 각도를 설정합니다. 계산을위한 (B) 매개 변수. Δ x와 Δ는 y는 공의 회전 및 병진 운동을 나타냅니다 (양의 값은 시계 방향 또는 진행 방향을 나타냄); D 공의 볼의 직경; D 바퀴 사이의 거리; G FW, L과 G BW, L, 앞으로 (FW) 또는 왼쪽 바퀴 (L)의 역방향 (BW)의 회전 모터 이익; G FW, R과 G BW, R, 앞으로 또는 오른쪽 휠 (R)의 역 회전 모터 이익. 그녀를 클릭하세요전자는이 그림의 더 큰 버전을 볼 수 있습니다.

그림 7
디딜 방아에 닿는 나방의 위치 7. 조정 그림. (A) 볼에 닿는 나방의 측면보기. 중간 다리 공 (검은 색 화살표)의 상단에 배치해야합니다. (B) 나방의 적절한 세로 위치입니다. 나방의 뒤에 광 센서는 볼의 중심에 직면 해있다. (왼쪽에서 본) 정상 앞으로 걷는 공을 시계 방향으로 회전한다. (C) 수직 위치가 너무 낮 (아래쪽 화살표)입니다. silkmoth는 압력에 저항하기 위해 앞다리를 확장하고 (회전 반 시계 방향) 뒤로 공을 회전합니다. (D) 수직 위치가 너무 높으면 (위쪽 화살표)입니다. 나방은 공을 보유하고 리프트. 나방 앞으로 수행 할 수 있지만이 경우 23에서 산책 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 8
8. 바람 터널을줍니다. 공기는 메쉬 패널 (적색 화살표)로 여과; 그런 다음, 900 (W) mm × 캠코더, 1500 (L)의 기록 영역에 들어갔다. 냄새 소스는 기록 영역의 상류 측에 배치하고, 페로몬 오염 된 공기는 팬 (청색 화살표)에 의해 외부에 배출 하였다. 바람 터널은 압출 발포 폴리스티렌 만들어졌다. 천장은 투명한 아크릴 판이고, 바닥 로봇 바퀴 미끄러짐 방지하기 위해 고무 매트였다. 냄새 소스 w측풍 위치 메쉬 패널 풍하 250mm의 중심에 놓여있다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 9
프로토콜에서 로봇의 조작 9. 타이밍 그림. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 10
그림 10. 냄새 소스 현지화 테스트. (. 안도 (17)의 데이터; N = 10 나방 10 시험 A), 곤충 제어 로봇 (각 패널은 상기 silkmoths의 궤적을 보여줍니다 (C없이 N = 7 나방)와 로봇 (7) 시험; N = 5 나방 10 시험). 나방이나 로봇 냄새 공급원 (크로스 마크 bombykol 2,000 NG 함유 여과지)로부터 600mm 풍하 (화살촉)를 시작 하였다. 짧은 또는 현지화 걸리는 긴 시간과 시련은 각각 빨간색과 파란색 선으로 표시됩니다. 다른 성공적인 시험은 회색으로하고, 실패한 실험은 녹색이다. 원은 현지화에 성공을 판단 골을 나타냅니다. 목표 영역의 반경은 온보드 나방과 냄새의 소스 (17) 사이의 최근 접 거리에 상당하는 로봇의 크기에 기초하여 정의 하였다. 화살표는 바람의 방향 (풍속 0.7 m / 초)를 나타내고, 라인 페로몬 기둥의 경계를 나타내는 파선. 더 큰 보려면 여기를 클릭하십시오이 그림의 버전입니다.

그림 11
후각 (11)의 입력 조작과 모터 출력도. 좁은 간격 (B (N = 10 나방의 모든 10 시험에서 성공적으로 제어, 90mm, A) 각 패널은 넓은 튜브 갭 로봇 (온보드 나방의 위치)을 성공적으로 궤도를 보여줍니다 20mm를 , N = 10 나방), 역 와이드 튜브 갭 (C 모든 10 시험에서 성공, 성공, 8 ~ 10의 시험, N = 10 나방), 그리고 반전 모터 출력 (D와 넓은 튜브 격차에 성공 (11) 시험 (10), N)는 11 나방을 =. bombykol 2,000 NG 함유 여과지를 통해 반복적 공기 퍼프는 크로스 마크로부터 방출 하였다. 로봇과 회색과 흰색 화살표는 양자 후각 입력 및 오토바이의 방향을 표시R 출력. 실험 조건도 다른 설명은도 10와 동일하다. 네 개의 조건 (AD)에서 로봇의 국산화에 (E) 시간. 개인 데이터는 상자 도표에 요약되어있다. 박스의 좌우 측면은 첫 번째와 세 번째 분위수를 나타내고, 바는 평균을 나타낸다. 수염은 1.5 × 분위 범위를 나타냅니다. 별표 제철 테스트 (**는 P <0.01)에있어서, 제어 데이터 (A)에서 상당한 차이를 나타낸다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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silkmoth 의해 로봇의 성공적인 제어하는 ​​가장 중요한 포인트는 방 공기지지 공 매끄럽게 걸어시키는하고 안정적 ​​공의 회전을 측정. 따라서, silkmoth을 테 더링하고 적절한 위치에서 공을 설치하면이 프로토콜의 중요한 단계입니다. 첨부 파일 또는 공 나방의 부적절한 위치에 나방의 부적절한 유착은 정상 보행 동작을 교란 및 / 또는 볼의 회전을 측정하는 광 센서의 고장 원인이 거기에 자연스러운 압력을 발생합니다. 폴리스티렌 볼을 거칠게하여 미끄러지는 방을 방지하는 것도 중요하다. 응답에 닿는 나방의 운동은 자극을 악취하고 이후 로봇의 움직임은 조심스럽게 냄새 추적 검사 (단계 3.6 참조)하기 전에 확인해야합니다.

그것은 거의 제공 트레드밀의 곡률을 감소하기 때문에 더 큰 공을 사용하면 좋다곤충의 다리에 대한 평면. 여기에서 사용 된 50 mm 직경 공 silkmoths 종래 디딜 설정에 사용 된 것과 비교하여 상대적으로 작은 (직경 : 75 mm) 24. 볼의 관성이 로봇 운동 중에 무시할 아니므로, 더 큰 (더 무거운) 공은, 치료에 사용되어야한다. 온보드 엄 그 다리로 로봇 동작 중에 볼의 관성 력 유도 회전을 억제 할 수없는 경우, 로봇이 엄에 의한 보행없이 연속 발진. 실험자 다른 곤충 종의 사용을 고려하면, 따라서, 볼 사이즈는 그 다리 그립뿐만 아니라 크기의 강도에 기초하여 선택되어야한다. 냄새 소스 지역화하는 동안, 실험자도의 동작 확인해야 나방을-여부를 온보드 나방 공에 원활하게 산책과 로봇이 빠르게 나방 이동로 응답합니다. 이 첨부 파일 (너무 낮은 위치에서 너무 많은 압력을받을 때 silkmoth 뒤로 걷기를 나타내고, 참조 머리도 5b) 앞의 파티션으로 (개체를 터치하면 앞다리의 반복적 인 움직임. 곤충의 보행의 로봇의 불량한 반응성 부적절한 공 위치하거나 (약 30 분 동안 배터리 마지막) 배터리의 고갈에 기인한다.

곤충 제어 로봇의 제한은 온보드 나방은 확실히 자연스러운 상황에서 자리 잡고 있다는 점이다. 트레드밀, 악취 전달 시스템과 조종석 90 mm의 높이를 자유롭게 걸어 나방에 의해 취득 된 것과 다른 감각 정보 (mechanosensory, 후각, 및 시각)을 제공한다. 우리는 자유롭게 걷고 silkmoths의 사람들과 곤충 제어 로봇의 동작을 비교했을 때 이러한 차이는 분명했다. 는 R의 예를 들면, 냄새 소스 지역화에 대해 동일한 성능은 로봇과 자유롭게 산책 silkmoths 사이에 관찰 불구하고, 궤도obot은 측풍 방향을 따라 드문 드문했다가 기둥 폭의 감소 (그림 10A, B)에 따르면, 냄새 소스에 도달으로 silkmoths이 수렴 자유롭게 걷는 그 반면. 이 차이는 단순히 인해 로봇과 나방의 서로 다른 크기이다. 특히, 내장 나방 튜브 팁 사이의 거리는 취기를 검색하는 범위를 결정한다; 따라서, 더 큰 거리 (로봇 : 100mm, 나방 : 안테나 팁 흉부에서 약 10mm)는 심지어 깃털 외부 활성화하기 위해 로봇을 수 있습니다. 또한, 캐노피의 방은 외부 환경으로부터의 바람의 방향을받을 수 없다. 냄새 추적 풍향의 중요성 아직 silkmoths 22 결정되지 않았지만, 유동 방향의 사용은 다른 유기체에서 5,6- 냄새 추적 기본적인 전략이다. 때문에 악취 전달 시스템에 의해 생성되는 기류의 부여, 또한 어렵다이러한 공기 흐름을 생성하고 silkmoths 25 냄새 수신을 용이하게 날개 날개가 퍼덕 거리는의 영향으로 "활성 감지,"을 설명합니다. 실험자 여러 양상의 사용을 탐구하는이 기술을 채용하는 경우 이러한 제한으로 인해, 이들 로봇이 실험에 의해 얻어진 결과는 자연 조건 19 곤충 그대로 적용 할 수 있는지를 설명한다.

곤충 제어 로봇 곤충의 냄새 추적 능력의 평가를 위해 세 가지 요건을 충족 1) 곤충 모터의 직접 인터페이스는 실제 악취 기둥에, 2) 시험 제어 로봇 명령, 3) 곤충의 조작이 허용 감각 모터 시스템. 우선, 곤충 로봇, 로봇을 제어하기위한 신경 신호의 사용 사이의 인터페이스에 대해 예컨대 뇌 - 기계 인터페이스 (26), 또 다른 기술이다. 곤충에 대한 여러 연구 협력을위한 신경 신호 또는 electromyograms를 사용로봇 및 폐쇄 피드백 ntrol은 27 ~ 30을 반복합니다. 그러나이 방법에서 중요한 신경 지속적인 연구 될 의미 모터 명령을 추출하기 위해 신경 신호의 디코딩을 필요로한다. 따라서, 로봇 제어 곤충의 실제의 보행 동작의 사용은 로봇 곤충의 모터 명령 인터페이스에 직접적이고 간단한 방법이다. 둘째, 로봇이 작동하는 환경에 대하여, 가상 현실의 사용은 대체 13,31-33 것이다. 가상 현실은 더 제어 상황에서 행동 실험을 수행하기 위해 우리를 활성화하고 공기 지원 디딜 방아는 시각적 인 상황 24,34-36의 동물 운동과 생성을 추적하는 데 사용 된 비전의 연구에서 가장 성공적이다. 그것은 정확한 유량 제어를 필요로하기 때문에, 후각 정보의 피드백 루프를 개폐하는 것은 기술적으로 곤란하다. optogenetics의 응용 프로그램이 후각 수용체 N을 활성화하지만후각 가상 현실의 한계를 극복한다 eurons 37-40은 실제 악취 깃털에서 이동 로봇의 사용은 신뢰할 수있는 후각을 설정하는 방법은 현재 루프를 폐쇄한다. 마지막으로, 곤충의 감각 모터 시스템의 조작에 대해 다른 접근 방법 (즉, 절단 또는 감각 기관 또는 (41) 부속 기관 커버) 곤충의 수술 조작이 될 것이다. 로봇이 수의 그러나, 우리의 로봇 조작 (단계 6 및도 11)은 로봇 플랫폼 (19)의 조작에 의해 달성 곤충 감각 모터 시스템을 변경할 수있는 비 침습적 가역적 방식으로, 각종 파라미터의 제어는 우리는 다양한 상황에서의 성능을 테스트합니다.

곤충 제어 로봇은 미래의 애플리케이션을위한 두 가지 방향이 있습니다. 첫 번째 방향은 엔지니어링입니다. 곤충 감각 모터 시스템의 난에 의해 제어 자율 로봇으로서nsect 제어 로봇은 대규모 신경 네트워크에 간단 Braitenberg 차량 (42)에 이르기까지 생물학적 모델로 구현 모바일 로봇에 대한 참조가 될 것입니다. 곤충 제어 로봇은 또한 카메라의 구현과 충돌이없는 냄새 추적 알고리즘을 탐구하는 충돌 회피를위한 알고리즘으로 곤충 냄새 추적과 다른 양식의 가능한 조합을 테스트하기위한 유용한 플랫폼이 될 것입니다. 또한, 로봇 속성의 미세 조정은 그대로 곤충보다 냄새 추적 성능을 향상시킬 수 있습니다. 우리가 표적 물질에 특징적인 화학 반응 형질 silkmoths 43 모방 경우 곤충 능력의 이러한 번역은, 유해 물질을 찾기 위해이 로봇 자체의 실제 사용을 초래할 수도있다. 우리는 diffe 넘어 연장 로봇 애플리케이션 용 생체 모방 알고리즘을 사용하는 방법 : 한편, 곤충 로봇 제어는 중요한 문제를 제기 할곤충과 로봇 사이를 알수? 예를 들어, 곤충의 후각 수용체는 곤충 후각 처리 및 냄새 소스 지역화에 대한 책임이 악취 농도 44-46, 고속 시간적 역학을 취득하는 뛰어난 능력을 가지고 있지만, 지금까지 기존의 가스 센서 4,29의 기능을 넘어이다, 47. 방법 또한 미래의 방향으로 탐구해야 로봇의 감각 능력을 충족하기 위해 생체 모방 알고리즘을 수정합니다. 다른 주요 방향은 생물학을 위해 확실히이다. 곤충 로봇 제어는 폐 루프 실험 플랫폼으로 간주 할 수있다. 또한, 로봇 조작에있어서, 곤충의 감각 운동의 관계를 변경하는 비 침습적 방법은, 상기 작은 곤충 뇌가 응답 배우고, 새로운 환경에 적응하는 방법을 조사하기 위해 적용된다.

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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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곤충 제어 로봇 : 이동 로봇 플랫폼은 곤충의 냄새 추적 능력을 평가하는
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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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