Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Insekt-styrt robot: Et mobilt Robot Platform til Vurdere Lukt-sporing Capability av et insekt

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

Muligheten for å lokalisere en kilde lukt er nødvendig for insekt overlevelse og forventes å være anvendelig til kunstig lukt-sporing. Insektet styrt robot er drevet av en faktisk silkmoth og gjør oss i stand til å vurdere lukt-sporing evne av insekter gjennom en robot plattform.

Protocol

1. Experimental Animal

  1. Forbered en plastboks for å holde puppe av mannlige Silkmoths (B. mori) inntil deres eklosjonshormon. Benyttet papirhåndklær i bunnen og stykker av papp rundt den indre vegg av boksen (figur 1A).
    Merk: biter av papp er nødvendig for den voksne møll å holde mens utvide sine vinger under eklosjonshormon (figur 1A).
  2. Sett mannlig silkmoth (Bombyx mor i) puppe i boksen og holde dem i en inkubator inntil eklosjonshormon under en 16-timers: 8-timers lys: mørke syklus ved 25 ° C.
    MERK: Den mannlige og kvinnelige puppe kan bli diskriminert av sex merker på magen (figur 1B).
  3. Samle voksne mannlige møll etter eklosjonshormon og flytte dem inn i en ny boks.
  4. Hold den voksne møll i en inkubator under en 16-timers: 8-timers lys: mørke syklus og senke temperaturen til 15 ° C for å redusere sin aktivitet før forsøket.

2. Internettdeling en Silkmoth

  1. Fabrikasjon av et vedlegg for tethering (figur 2A)
    Merk: Vedlegget består av en kobbertråd med en stripe av en tynn plastplate på sitt tips. Dette sikrer dorsal-ventral bevegelse av brystkassen under gange (figur 2B).
    1. Forbered en stripe av en tynn plast ark, 2 × 40 mm (tykkelse: 0,1 mm), og brett den i midten.
    2. Feste den brettede strimmel til spissen av en kobbertråd med et klebemiddel.
    3. Bøye spissen av den foldede strimmel hvor toraks av en silkmoth er festet.
  2. Bruke voksen møll (2-8 dager gammel) i lys perioden for forsøket.
    Merk: Følsomheten til feromonet avhenger sterkt av biologiske klokke 18. Fordi B. mori er en dagaktive møll, må forsøket utføres under lyset perioden.
  3. fjerne alle skalaer forsiktig på dorsal thorax (mesonotum) med et stykke vått vev (eller bomullspinne) og utsette skjellaget av mesonotum (figur 2C).
  4. Lim et lim på stripe av plast på vedlegget og på overflaten av den eksponerte mesonotum med en liten flat skrutrekker og vente 5-10 min før limet er ikke lenger klissete.
    Merk: Limet skal ikke berøre vingen hengsel eller forewing tegulae (figur 2C).
  5. Binde mesonotum til vedlegget.
  6. Hold møll tethered før du legger den inn i cockpiten på roboten. Hold feste på et stativ og sette et stykke papir under bena for å hvile møll.

3. Insekt-styrt robot

  1. Design maskinvaren av insekt-styrt robot basert på tidligere arbeider 16,17,19.
    Merk: insekt-styrt robot består av en luft-støttet tredemølle med en optisk mus sensor til Capture insekt bevegelse, spesialbygde AVR-baserte mikrokontroller styrene for prosessering og motorisk kontroll, og to DC børsteløse motorer (figur 3 og 4). Roboten kan kjøres på bakgrunn av ballen rotasjon med 96% nøyaktighet eller bedre, i løpet av en tidsforsinkelse på 200 msek. Det sikrer også mobilitet for maksimal kjørehastighet (24,8 mm / sek) og vinkelhastighet (96,3 ° / sek) av silkmoth under feromon sporing atferd 16. Luftstrømmen på tredemøllen (figur 5A) og lukt levering system (figur 5B) er designet for den ombord møll å gå jevnt på ballen og å tilegne seg en lukt av to antenner. Luftinntaket og strømningskanal til tredemøllen er adskilt fra de av luktavgivelsessystemet for å unngå forurensning av feromon.
  2. Designe programvare for ombord mikrokontrollere basert på tidligere arbeider 16.
    Merk: Den innebygde mikrokontroller beregner tHan robotbevegelser fra insektet bevegelse måles med en optisk sensor (rotasjons, Δ x; translasjonell, Δ y; figur 6). Den reiseavstanden (Δ L) og vri vinkel (Δθ) per tidsenhet av roboten er beregnet på grunnlag av reiseavstanden til hvert hjul (venstre, Δ L L, høyre, Δ L R) som Δ L = (Δ L L + L Δ R) / 2 og Δθ = (Δ L L - Δ L R) / D hjul, hvor D hjul er avstanden mellom de to hjul (120 mm). Δ L L og Δ L R er videre beskrevet som Δ L L = Δ L x, L + Δ L y, L og Δ L R = Δ L x, R + Δ L y, R, der Δ L x, L </ sub> og Δ L x, R er reiseavstander av hjulene på venstre og høyre side kontrollert av Δ x og Δ L y, L og Δ L y, R er de styrt av Δ y. Ideelt sett Δ L x, L og Δ L x, R, er beskrevet som Δ L x L = L x -Δ, R = G Δ x (D hjul / D ball), og Δ L y, L og Δ L y , R er beskrevet som Δ L y, L = Δ L y, R = G Δ y, der G er forsterkningen motor og D ball er diameteren på ballen (50 mm). I praksis er motoren forsterkningen uavhengig satt ved hver side (venstre eller høyre hjul) og ved hver retning (forover eller bakover rotasjon) for derved å kalibrere robotens bevegelse. De uavhengige gevinster ytterligere tillateInnstillingen av asymmetrisk motorrotasjonen for å generere en dreie forspenning av roboten (se trinn 6.1).
  3. Vask overflaten av en hvit polystyren ball (masse: omtrent 2 g, diameter: 50 mm) med vann for å fjerne eventuelle olfactory eller visuelle signaler.
    Merk: Overflaten på en ny ball bør roughed med fint sandpapir, slik som P400, som sikrer grepet av ben på ballen.
  4. Slå på Blåseren fan som leverer luft på 9 V til tredemølle og flyter ballen (figur 5A). Observer ballen flyter ca 2 mm fra bunnen av koppen.
  5. Ved hjelp av en skrue, feste kobbertråd av vedlegg med møll (se trinn 2) til et innslag i cockpiten på roboten (se figur 3 innfelt). Sørg for at plasseringen av de midtre bena er i sentrum av ballen (figur 7A).
  6. Juster den vertikale plasseringen av vedlegget for å aktivere møll å gå normalt på balle. Hold ballen i samme høyde før og etter montering av møll (figur 7B).
    Merk: En altfor lav plassering av feste legger press på møll og utløser bakover vandre for å motstå trykket (figur 7C), mens en altfor høy posisjon forårsaker ustabil gange og svikt i føleren på grunn av endringer i den vertikale posisjonen erte (figur 7D). For å sjekke normal gang atferd, er en enkelt-oppblåst feromon stimulus brukes til å utløse vandre i møll (for feromon stimulans, se trinn 4). Merk at testen stimulus må være minimal fordi tidligere eksponering for bombykol habituates Silkmoths og reduserer deres følsomhet (Matsuyama og Kanzaki, upublisert data).

4. Lukt Kilde Forberedelse

Merk: Mann B. mori er følsomme for den viktigste komponenten av conspecific kvinnelige sex feromon (bombykol: (E, Z) -10,12-hexadecadien-1-ol)

  1. Slipp 10 ul av den bombykol oppløsning oppløst i n-heksan (200 ng / mL) på et stykke filterpapir (ca. 10 mm x 10 mm). Mengden av bombykol per stykke av filterpapir er 2000 ng.
    Merk: For å sjekke normal gang oppførselen til møll, utarbeide et feromon stimulans patron i dette trinnet. Patronen er et glass Pasteur pipette med ett stykke filter papir som inneholder 2000 ng bombykol. Skyve en pære puffs luften inneholder bombykol.

5. Lukt Kilde Lokalisering Experiment

  1. Slå på viften av en dra-luft-type vindtunnel (1800 × 900 × 300 mm, L × B × H, figur 8) og sette vindhastigheten til 0,7 m / sek. Pass på at temperaturen er mer enn 20 ° C.
  2. Still luktkilden (p-iece av filterpapir som inneholdt bombykol) oppstrøms av vindtunnelen.
    Merk: Skyen bredde må bekreftes før eksperimentet ved hjelp TiCI4 17,19.
  3. Slå på microcontroller styret i roboten og etablere en seriell tilkobling til en PC via Bluetooth.
  4. Start en skreddersydd Java-program som heter "biosignal", som gir et grensesnitt mellom PC og roboten.
    Merk: Hovedvinduet inneholder knapper for å sende kommandoer til roboten, tekst vinduer for å vise inngang og utgang av seriell kommunikasjon, og små esker til å konfigurere parametere. De påfølgende sendes kommandoer ved å klikke på tilsvarende knappene i dette programmet, med unntak for videoopptak.
  5. Klikk på "om enheten" for å bekrefte forbindelsen ved å sende en kommando til roboten via den angitte COM-port og sjekk at en melding blir returnert av roboten.
  6. Klikk på "memory slette "-knappen for å slette tidligere locomotion data igjen på det innebygde flash-minnet.
  7. Klikk på "drivemode1" knappen for å sende standard motor gevinster til roboten.
    Merk: manipulasjoner av motor gevinster og tidsforsinkelsen mellom insekt bevegelse og robot bevegelse er brukt etter dette trinnet (se trinn 6.1 og 6.3, figur 9).
  8. Klikk på "ikke kjør" for å sende en kommando for å immobilisere roboten før forsøket starter.
  9. Sett roboten på en startposisjon (600 mm nedstrøms fra lukt kilde) og slå på bryteren på motoren driver styret.
  10. Trykk på opptaksknappen på kameraet for å starte videoopptak.
  11. Klikk på "rec start" knappen for å sende en startkommando til å starte roboten med en samtidig registrering av ballen rotasjon på det innebygde flash-minnet. Observer at roboten begynner å bevege seg og sporer lukt skyen.
  12. Klikk på"Rec stop" og "ikke kjør" for å sende kommandoer til å stoppe både roboten bevegelse og opptaket hvis roboten lokaliserer lukt kilde.
  13. Trykk på opptaksknappen på videokameraet for å stoppe videoopptak.
  14. Last ned innspilt locomotion data fra det innebygde flash-minne til datamaskinen via en seriell tilkobling. Lukk programmet.

6. Manipulering av Insekt-kontrollerte Robot

Merk: Tidspunktet for hver manipulasjon er vist i figur 9.

  1. Manipulering av motor gevinster
    Merk: Denne manipulasjon endrer den translatoriske og rotasjonshastigheten til roboten. Asymmetriske motor gevinster generere en dreie forspenning, som kan brukes til å undersøke hvordan insekter kompensere for skjevheter 17.
    1. Definer rotasjons gevinster for forover og bakoverrettet rotasjon av motoren på hver side 17 (figur 6B) ved å redigere the konfigurasjonsfil som heter "param2.txt" ved hjelp av en tekst editor.
    2. Klikk på "set param2" for å lese den redigerte konfigurasjonsfilen i programvaren. Deretter klikker du på "drivemode2" for å sende de manipulerte gevinster til roboten.
  2. Inversjon av motorens utgangs
    Merk: Denne manipulering tilveiebringer en tilstand lik den inverse av den bilaterale olfactory inngang (se trinn 6.4) og kan brukes til å undersøke betydningen av bilaterale luktesans. Men inversjon av motoreffekt inverterer også selvforskyldt visuell bevegelse av en innebygd møll. Virkningen av den omvendte selvpåført visuelle input kan bli vurdert av en sammenligning med invertert olfactory inngang 19.
    1. Snu bilateral motorisk kontroll ved å krysse kontrollkabler for hver motor.
  3. Manipulering av tidsforsinkelsen mellom insekt bevegelse og robotens bevegelse.
    Merk: Denne manipulasjonåpner for etterforskningen av akseptabel tid brukt på sansemotorisk behandling for robot lukt-sporing. Mikrokontrolleren lagrer locomotion data på et bufferminne, og behandler dem etter den angitte tidsforsinkelse. Legg merke til at roboten har en maksimal intern tidsforsinkelse på 200 ms; Derfor er den faktiske tidsforsinkelsen forventes å være den angitte tidsforsinkelse pluss 200 msek 16,17.
    1. Taste inn et nummer (0-10) i en liten boks i hovedvinduet for å angi en tidsforsinkelse fra 0-1,000 msek ved 100-msek trinn.
    2. Klikk på "set forsinkelse" knappen for å bruke tidsforsinkelse.
  4. Manipulering av olfactory innspill.
    Merk: Denne manipulasjon kan brukes til å undersøke betydningen av bilaterale olfactory innspill. Den plutselige retning Silkmoths er partisk på høyere konsentrasjon side 22.
    1. Endre gapet mellom sugerøret tips eller snu sine posisjoner til å endreforskjell i lukt konsentrasjon kjøpt opp av hver antenne.
  5. Manipulering av visuelle input
    Merk: Dette manipulasjon er å undersøke hvilken rolle visuelle input for lukt-sporing.
    1. Dekk kalesjen med et hvitt papir som tetter 105 ° og 90 ° av den horisontale og vertikale synsfelt av ombord møll, henholdsvis.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Vi presenterer her de grunnleggende egenskapene til insekt-kontrollerte robot som kreves for en vellykket lokalisering av en lukt kilde. Sammenligningen mellom roboten og Silkmoths, effektiviteten av de luktavgivelsessystemet, og betydningen av korrekt bilateral olfaktorisk og visuelle innganger er undersøkt.

Sammenligningen av lukt-sporing atferd mellom fritt-walking møll og insekt-styrt robot er vist i figur 10A og B. Under samme lukt omstendigheter, både walking møll og robotene scoret suksessrate på 100% (walking møll, 10 studier av N = 10 møll, robot, 7 forsøk med n = 7 møll). Selv om roboten oppviste bredere baner i forhold til de av walking møll, var det ingen signifikant forskjell i tiden til lokalisering mellom vandre møll og roboten (P2; 0,05, Wilcoxon rank sum test; møll, median = 46,5 sek, IQR = 36,7, 69,6; robot, median = 48,1 sek, IQR = 44,9, 61,9).

Lukten leveringssystem (figur 5B) er nødvendig for å levere odoranten strømmen nær gulvet til antenner av den om bord møll plassert 90 mm over gulvet. Uten dette systemet (sugerør, fans, og kalesjen), kan roboten ikke orientere mot lukt kilde og fortsatte å sirkle før det stoppet (alle 10 studier av N = 5 møll mislyktes, figur 10C). Ifølge programmert silkmoth atferd, er kontinuerlig sirkle en typisk oppførsel når en silkmoth unnlater å kontakte feromon under orienteringen 21,22.

Figur 11 viser representative resultater som demonstrerer de manipulasjoner av roboten. Effektiviteten av en bilateral olfactory inngang for lukt-sporing ble evaluated ved å endre posisjonen av røre tips (trinn 6,4), eller ved å snu motorens utgående (trinn 6.2). Roboten oppnådd suksessrate på 100% med to forskjellige hull mellom venstre og høyre rør (stort gap [kontroll], 90 mm, 10 studier av N = 10 møll, smal åpning, 20 mm, 10 studier av N = 10 møll; Figur 11A, B), og det var ingen signifikant forskjell i tid til lokalisering mellom disse to tube stillinger (P> 0,05, Steel test, figur 11E). På den annen side, inversjonen av rør tips (hver antenne mottas odoranten fra motsatt side, røret åpning = 90 mm) bredere baner langs sidevind retning og litt økt median tid til lokalisering, selv om det ikke var noen signifikant forskjell ( P> 0,05, Steel test; figur 11C, E). Inversjonen av motoreffekt gir en lignende situasjon som den omvendte olfactory innspill; Videre inverterer det også selvforskyldt visuell bevegelse mottatt av ombord møll. På grunn av den omvendte negativ visuell tilbakemelding (dvs. positiv feedback), roboten fortsatte sirkle, selv i lukt skyen (figur 11D), som i betydelig forlenget tid til lokalisering (P <0,01, Steel test, figur 11E). Suksessraten ved den omvendte olfactory inngang (C) og den omvendte motoreffekt (D) var 80% (10 forsøk med n = 10 møll) og 90,9% (11 studier med 11 møll), henholdsvis. En detaljert diskusjon av sansemotoriske kontroll i Silkmoths er beskrevet i den foregående arbeids 19.

Figur 1
Figur 1. Lagring av silkmoth puppe. (A) Male puppe er lagret i en plastboks (til venstre). De voksne møll holder papp rundt den indre veggen av bokse under eklosjonshormon (til høyre). (B) Sex merking av puppe. Hver pil viser en liten flekk på ventrale siden av niende abdominal segment av den mannlige og en "X" -merket med en fin, langsgående linje på ventral side av den åttende abdominal segmentet av den kvinnelige. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2
Figur 2. Internettdeling et silkmoth. (A) Fabrikasjon av et vedlegg for tethering en silkmoth. De tre trinnene er beskrevet i 2.1.1 til 2.1.3 (se tekst). En to-gangers strimmel av tynn plastplate ble festet ved spissen av kobbertråd, som absorberer dorsal-ventral bevegelse (se figur 2B) av mesonotum under gange. Den andre, buede tuppen av tråden er for håndtering fasiliteterng. (B) Høyere og lavere holdninger av en silkmoth i løpet av feromon sporing (se vinkelen mellom femur og tibia av forbena [pilene]). (C) Fjerning av skalaene på mesonotum (angitt ved pilspisser). Venstre og høyre bildene viser før og etter fjerning av skalaer, henholdsvis. Den forewing tegulae var intakte (omgitt av stiplede linjer). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3. Insect styrt robot. Det innfelte viser et forstørret bilde av cockpiten. (1) En tethered silkmoth på en tredemølle (en luft-støttet ball, se innfelt), (2) to vifter for å levere en lukt til møll (lufthastighet, 0,5 m / sek), (3) sugerør for å ta lukt, (4) DC-motorer og wheels, (5) chip boards, (6) en luft inntak for tilførsel av luft til spillet (7) sporing markører for frakoblet video analyser, (8) to lysdioder for å holde konstant belysning i cockpit (280 lx), (9 ) et vedlegg for tethering den silkmoth, og (10) et innslag av vedlegget. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4
Figur 4. Hardware diagram. Rotasjonen av luftstøttede ball i tredemølle ble målt ved hjelp av en optisk sensor mus med en oppløsning på 0,254 mm ved en samplingsfrekvens på 1,5 kHz. De mikrokontrollere beregnet banen til silkmoth fra sensor output og kontrollert to DC-motorer på venstre og høyre side. Motorene ble drevet av pulsbreddemodulering ved 1 kHz, med posisjonstilbakemeldingfra innebygd i Hall-sensorer. Den optiske sensoren utgang (dvs. oppførsel ombord møll) ble lagret på en innebygd flash-minne (8 Mbit) ved en samplingsfrekvens på 5 Hz. Disse data ble brukt for å sammenligne oppførselen til ombord møll med robotbevegelser. Den trådløse kommunikasjonen mellom en datamaskin (PC) og roboten ble oppnådd via Bluetooth, som bare ble brukt til å sende kommandoer til å starte og stoppe roboten, eller for å manipulere de motoriske egenskapene til roboten. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 5
Figur 5. Luftstrømmen design for tredemølle og lukt leveringssystem. (A) Airflow å støtte ballen på tredemøllen. Luften ble tatt fra luftinntaket bak cockpit av en vifte fan; det da strømmet gjennom en kanal og blåste ut fra små hull (1 mm diameter) på en skreddersydd FRP cup (innfelt). Den grunnriss av koppen omgitt av en rød firkant vises i innfelt. Røde piler indikerer luftstrømmen; den hvite pilen, den optiske sensoren med en LED-transmitter; og den svarte pilen, koppen med små hull. (B) Luftstrømmen av lukt leveringssystem. Luften inneholder feromon ble sugd fra spissen av en fleksibel polyetylen rør på hver side, adskilt med en skillevegg i trekronene, og levert til antennen på ipsilaterale side. Airflow på hver side er angitt med røde eller blå piler. Dette tallet har blitt forandret fra Ando og Kanzaki 19. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 6
Figur 6. Beregning av roboten bevegelse fra insekt bevegelse. (A) En skjematisk tegning av robot (Δ L) og hjulbevegelser (venstre, Δ L L og høyre, Δ L R). Δθ, snu vinkel av roboten. (B) Parametere for beregningen. Δ x og Δ y representerer Endringshastighet av en ball (en positiv verdi indikerer klokken eller forover); D ball, diameteren på ballen; D hjul, avstanden mellom hjul; G FW, L og G BW, L, motor gevinster fremover (FW) eller bakover (BW) rotasjon av det venstre hjulet (L); G FW, R og G BW, R, motor gevinster fremover eller bakover rotasjon av det høyre hjulet (R). Vennligst klikk here for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 7
Figur 7. Justering av posisjonen til en tethered møll på tredemølle. (A) Den laterale visning av en tethered møll på en ball. Den midterste ben bør plasseres på toppen av ballen (svart pil). (B) Den aktuelle vertikale plasseringen av møll. Den optiske sensoren bak møll vender mot midten av ballen. Normal frem gang roterer ballen urviseren (sett fra venstre side). (C) Den vertikale stilling er for lav (pil nedover). Den silkmoth strekker forbena å motstå presset og roterer ballen bakover (mot klokken rotasjon). (D) Den vertikale stilling er for høy (pil oppover). Møll holder ballen og løfter den opp. Selv om møll kan utføre fremover vandre i denne situasjonen 23 Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 8
Figur 8. Vindtunnel. Luften filtreres med en mesh panel (rød pil); det deretter inn opptaksområdet et videokamera, 1500 (L) × 900 (W) mm. Lukten kilden ble plassert oppstrøms av opptaket området og feromon-forurensede luften var utmattet utenfor av en vifte (blå pil). Vinden tunnel ble laget av ekstrudert polystyren skum. Taket var en gjennomsiktig akryl ark, og gulvet var en gummimatte for å unngå å gli av roboten hjul. Lukten kilde wsom er lagt inn i midten av sidevind posisjon og 250 mm vindretningen fra nettingpanelene. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 9
Figur 9. Tidsfastsettelse av manipulasjoner av roboten i protokollen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 10
Figur 10. Lukt kilde lokalisering test. Hvert panel viser baner av de Silkmoths (A, 10 studier av N = 10 møll; data fra Ando et al 17.), Insekt styrt robot ( N = 7 møll), og roboten uten lukt avleveringssystemet (C; 10 forsøk med N = 5 møll). Møll eller roboten startet 600 mm downwind (pilspiss) fra en lukt kilde (grensemerke, et stykke filter papir som inneholder 2000 ng bombykol). Forsøkene med den korteste eller den lengste tiden det tar for lokalisering er angitt som røde og blå linjer, henholdsvis. De andre vellykkede forsøk er farget grå, og mislykkede forsøk er grønne. En sirkel indikerer målområdet for å bedømme suksess i lokalisering. Radien av målfeltet ble definert på grunnlag av størrelsen av roboten, tilsvarende den nærmeste avstanden mellom ombord møll og lukt kilden 17. En pil indikerer vindretning (vindhastighet: 0,7 m / sek), og stiplede linjer angir grensene av feromon skyen. Klikk her for å se et størreversjon av denne figuren.

Figur 11
Figur 11. Manipulering av lukteinngang og motorytelse. Hvert panel viser vellykkede baner av roboten (posisjonen ombord møll) med en bred-rør gap (A, kontroll, 90 mm, vellykket i alle 10 forsøk med N = 10 møll), en smal spalte (B; 20 mm vellykket i alt 10 studier av N = 10 møll), en omvendt wide-tube gap (C; vellykket i 8 av 10 studier, N = 10 møll), og et bredt rør gap med invertert motoreffekt (D; vellykket i 10 av 11 studier, N = 11 møll). De gjentatte luft drag gjennom et filterpapir inneholder 2000 ng bombykol ble løslatt fra korset mark. De grå og hvite piler med roboten viser oriente av bilateral olfactory innspill og motor utgang. Den andre forsøksbetingelser og figurbeskrivelsene er de samme som i figur 10. (E) Tid til lokalisering av roboten under de fire forhold (AD). Individuelle data er oppsummert i en boks plott. Den venstre og høyre side av sekstenmeteren indikerer den første og tredje kvartil, og baren representerer medianen. Værhårene indikerer 1,5 × interkvartile området. Stjernene indikerer en signifikant forskjell fra styredata (A), i henhold til Steel test (** P <0,01). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De viktigste punktene for en vellykket kontroll av roboten ved en silkmoth gav møll gå jevnt på air-støttet ball og stabilt måle ball rotasjon. Derfor tethering den silkmoth og montere den på ballen i riktig posisjon er de kritiske trinn i denne protokollen. Upassende adhesjon av møll til feste eller uhensiktsmessig plassering av møll på ballen vil føre unaturlig press på den, som perturbs sin normale gang oppførsel og / eller fører til en svikt i optisk sensor for å måle ballen rotasjon. Mattes isopor ballen er også viktig å hindre møll fra å skli. Den bevegelse av tethered møll i respons til lukt stimuli og den påfølgende roboten bevegelse bør kontrolleres nøye før lukt-sporing test (se trinn 3.6).

Bruken av en større ball er bedre fordi det reduserer krumningen på tredemølle, som gir en nestenflat plan for insekt bena. Den 50 mm diameter ball brukt her er forholdsvis liten i forhold til den som brukes i den konvensjonelle tredemølle oppsett for Silkmoths (diameter: 75 mm) 24. Imidlertid må en større (og tyngre) ball brukes med forsiktighet, fordi tregheten ballen er ikke ubetydelig under robotbevegelser. Hvis en onboard møll ikke kan begrense treghet-force-indusert rotasjon av en ball under robotbevegelser med bena, svinger roboten kontinuerlig uten gang av møll. Når eksperimentatorer vurdere bruk av andre insektarter, derfor, gjennom størrelse bør velges på grunnlag av styrken av sine ben griper så vel som deres størrelser. Under lukt kilde lokalisering, bør forskere også sjekke oppførselen til møll om en onboard møll går jevnt på ballen og roboten reagerer raskt som møll trekk. Den silkmoth viser bakover gang når den mottar for mye press fra vedlegget (en altfor lav posisjon, se figur 5B). Dårlig respons fra roboten til insekt bevegelse skyldes upassende ball posisjon eller uttømming av batteriene (batteriene vare i ca 30 min).

Begrensningen av insekt-styrt robot er at om bord møll er definitivt plassert under unaturlige omstendigheter. Tredemøllen, lukt leveringssystemet, og 90 mm høyde på cockpiten gir forskjellige sensorisk informasjon (mechanosensory, olfactory og visuelle) fra de kjøpt opp av fritt-walking møll. Disse forskjellene ble tydelig når vi sammenlignet atferd av insekt-styrt robot med de av fritt-walking Silkmoths. For eksempel, om ble observert samme ytelse for lukt kilde lokalisering mellom roboten og fritt-walking Silkmoths, de baner av robot var tynt langs sidevind retning, mens de av den fritt-walking Silkmoths konvergerte som de nådde lukt kilde, i henhold til reduksjonen av skyen bredde (figur 10A, B). Denne forskjellen er rett og slett på grunn av forskjellige størrelser av roboten og møll. Spesielt avstanden mellom ombord møll og røret spiss bestemmer omfanget for søking luktstoffer; Derfor, jo større avstand (robot: 100 mm, møll: ca 10 mm fra brystkassen til antennen spissen) gjør roboten for å aktivere selv utenfor skyen. Videre kan møll i kalesjen ikke motta vindretningen fra det ytre miljø. Selv om betydningen av vindretningen for lukt-sporing ennå ikke er fastslått i Silkmoths 22, er bruken av strømningsretningen et grunnleggende strategi for lukt-sporing i andre organismer 5,6. På grunn av den pålagte luftstrømmen som genereres av luktavgivelsessystemet, er det også vanskeligå ta hensyn til "aktiv sensing", slik som effekten av vingen flagrende som genererer luftstrøm og forenkler lukt mottak i Silkmoths 25. På grunn av disse begrensningene, hvis experimenters bruke denne teknikken for å undersøke bruk av flere bruksområder, kan det skal diskuteres om resultatene som oppnås ved disse robot forsøk kan anvendes for å intakte insekter i naturlige forhold 19.

Insektet styrt robot oppfylt tre krav for evalueringen av lukt-sporing evne insekter: 1) direkte tilkopling av insekt motor kommandoer til robotstyring, 2) testing i en reell lukt sky, og 3) at manipulering av insekt sansemotoriske systemet. Først, med hensyn til grenseflaten mellom et insekt og en robot, bruk av nevrale signaler for styring av en robot, for eksempel en hjerne-maskin-grensesnitt 26, er en alternativ teknikk. Flere studier på insekter bruke nevrale signaler eller electromyograms samarbeidsntrol av en robot og lukket feedback loops 27-30. Imidlertid krever denne tilnærmingen dekoding av nevrale signaler å trekke ut meningsfulle motoriske kommandoer, som er en viktig og pågående forskning lagt i nevrovitenskap. Derfor er bruken av selve gang oppførsel av insekter for robotstyring en direkte og enkel måte å grensesnittet insekt motoriske kommandoer til en robot. For det andre, med hensyn til miljøet der roboten oppfører seg, ved bruk av virtuell virkelighet vil være et alternativ 13,31-33. Virtuell virkelighet gjør oss i stand til å gjennomføre atferdseksperimenter under mer kontrollerte situasjoner og er mest vellykket i studiet av visjon, hvor luften-støttede tredemølle har vært brukt til å spore dyr locomotion og generering av visuelle forhold 24,34-36. Imidlertid lukker tilbakekoblingssløyfen av lukte informasjon er teknisk vanskelig fordi det krever nøyaktig strømningskontroll. Selv om anvendelsen av optogenetics å aktivere olfaktorisk reseptor neurons 37-40 vil overvinne begrensninger av virtuell virkelighet i luktesans, ville bruken av en mobil robot i et virkelig lukt plume være en pålitelig måte for å etablere en olfaktorisk lukket sløyfe i dag. Til slutt, når det gjelder manipulering av et insekt sensoriske-motor system, ville alternative tilnærminger være kirurgiske manipulasjoner av insekter (dvs. kutting eller dekker sanseorganer eller supplement 41). Imidlertid vårt robot manipulering (trinn 6, og figur 11) er en ikke-invasiv og reversibel måte å endre den sansemotoriske system av insekter, oppnådd ved manipulering av roboten plattformen 19, og kontrollerbarhet av forskjellige parametere av roboten muliggjør oss for å teste ytelsen under ulike omstendigheter.

Insektet styrte roboten har to hovedretninger for fremtidige søknader. Den første retningen er for engineering. Som en autonom robot som styres av insekt sensorisk-motoriske system, på i-nsect styrt robot vil være en referanse for mobile roboter implementert med biologiske modeller, alt fra forenklet Braitenberg biler 42 til store nevrale nettverk. Insektet styrt robot vil også være en nyttig plattform for å teste mulige kombinasjoner av andre modaliteter med insekt lukt-sporing, for eksempel gjennomføring av et kamera og en algoritme for å unngå kollisjoner å utforske kollisjonsfrie lukt sporing algoritmer. Videre kan finjustering av roboten egenskaper forbedre lukt spore resultatene bedre enn intakte insekter. En slik oversettelse av insekt evne kan føre til praktisk bruk av denne roboten seg selv for å finne farlige materialer, hvis vi etterligne de transgene Silkmoths 43 som reagerer på karakteristiske kjemikalier i et mål materiale. På den annen side vil insekt-styrt robot også heve et viktig spørsmål: Hvordan bør vi bruke biomimetic algoritmer for robot applikasjoner som strekker seg utover diffedifferansen mellom insekter og roboter? For eksempel insektluktreseptorer har en enestående evne til å tilegne høyhastighetstidsmessige dynamikken lukt konsentrasjon 44-46, som er ansvarlig for insekt lukte behandling og lukt kilde lokalisering, men er langt utover egenskapene til konvensjonelle gass-sensorer 4,29, 47. Hvordan endre biomimetic algoritme for å møte den sensoriske evne roboter bør også utforskes som en fremtidig retning. Den andre store retningen er definitivt for biologi. Insekt-styrt robot kan betraktes som en lukket sløyfe eksperimentell plattform. I tillegg robot manipulasjon, en ikke-invasiv måte å endre insekt sensoriske-motor forhold, vil bli ytterligere anvendt for å undersøke hvordan de små insekt hjernen kan svare, lær og tilpasse seg nye forhold.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Tags

Neuroscience silkmoth insekt lukt-sporing feromon visjon multisensorisk integrasjon insekt-maskin hybrid robot Biomimetics
Insekt-styrt robot: Et mobilt Robot Platform til Vurdere Lukt-sporing Capability av et insekt
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