روبوت تسيطر عليها الحشرات: منصة موبايل روبوت لتقييم الرائحة تتبع القدرة من الحشرات

Summary

القدرة على حصر مصدر الرائحة هو ضروري لبقاء الحشرات ويتوقع أن تكون قابلة للتطبيق الصناعي رائحة تتبع. هو الدافع وراء الروبوت التي تسيطر عليها الحشرات من قبل silkmoth الفعلي وتمكننا من تقييم القدرة على تتبع رائحة الحشرات من خلال منصة الروبوتية.

Abstract

Robotic odor source localization has been a challenging area and one to which biological knowledge has been expected to contribute, as finding odor sources is an essential task for organism survival. Insects are well-studied organisms with regard to odor tracking, and their behavioral strategies have been applied to mobile robots for evaluation. This "bottom-up" approach is a fundamental way to develop biomimetic robots; however, the biological analyses and the modeling of behavioral mechanisms are still ongoing. Therefore, it is still unknown how such a biological system actually works as the controller of a robotic platform. To answer this question, we have developed an insect-controlled robot in which a male adult silkmoth (Bombyx mori) drives a robot car in response to odor stimuli; this can be regarded as a prototype of a future insect-mimetic robot. In the cockpit of the robot, a tethered silkmoth walked on an air-supported ball and an optical sensor measured the ball rotations. These rotations were translated into the movement of the two-wheeled robot. The advantage of this "hybrid" approach is that experimenters can manipulate any parameter of the robot, which enables the evaluation of the odor-tracking capability of insects and provides useful suggestions for robotic odor-tracking. Furthermore, these manipulations are non-invasive ways to alter the sensory-motor relationship of a pilot insect and will be a useful technique for understanding adaptive behaviors.

Introduction

Autonomous robots capable of finding an odor source can be important for the safety and security of society. They can be used for the detection of disaster victims, of drugs or explosive materials at an airport, and of hazardous material spills or leaks in the environment. At present, we rely entirely on well-trained animals (e.g., dogs) for these tasks, and robotic odor source localization has been strongly expected to relieve the workload of these animals. Finding an odor source is a challenging task for robots because odorants are distributed intermittently in an atmosphere¹; therefore, continuous sampling of the odor concentration gradient is not always possible. Thus, a search strategy using intermittent odor cues is necessary for the achievement of robotic odor source localization^2-4.

Odor source localization is essential for organism survival and includes tasks such as finding food, mating partners, and sites for oviposition. To overcome the difficulty in tracking patchy distributed odorants, organisms have evolved various behavioral strategies consisting of two fundamental behaviors: moving upstream during odor reception and cross-stream during cessation of odor reception^5,6. These reactive strategies have been well-documented in insects and further combined with other modalities, such as wind direction and vision^5-8. The insect behavioral models have also been useful examples for robotics^3,9-11, in which behavioral algorithms or neural circuit models are implemented into mobile robots for the evaluation of odor source localization abilities^10,12-15. From biomimetic perspectives, this "bottom-up" approach is certainly a fundamental way to develop biomimetic robots. However, the bottom-up approach is not a shortcut to obtaining a useful search strategy, because biological analyses are still ongoing, and the modeling of the sensory-motor systems behind insect behaviors has not been completed. Therefore, it is still unknown how such a biological system actually works as a controller of a robotic platform.

In this article, we demonstrate the protocol of a straightforward "top-down" approach to develop an odor-tracking mobile robot controlled by a biological system^16,17. The robot is controlled by a real insect and can be regarded as a prototype of future insect-mimetic robots. In the robot's cockpit, a tethered adult male silkmoth (Bombyx mori) walked on an air-supported ball in response to the female sex pheromone, which was delivered to each antenna through air suction tubes. The ball rotations caused by the walking of the onboard moth were measured by an optical sensor and were translated into the movement of the two-wheeled robot. The advantage of this "hybrid" approach is that experimenters can investigate how the insect sensory-motor system works on the robotic platform where a pilot insect is in a closed loop between the robot and a real odor circumstance. The manipulation of the robotic hardware alters the closed loop; therefore, the insect-controlled robot is a useful platform for both engineers and biologists. For engineering, the robot represents the first steps of applying a biological model to meet the requirements for robotic tasks. For biology, the robot is an experimental platform for studying sensory-motor control under a closed loop.

Protocol

1. التجريبية الحيوانية

1. إعداد مربع من البلاستيك للحفاظ على الشرانق من silkmoths الذكور (B. موري) حتى eclosion بهم. المناشف وضع ورقة في أسفل وقطع من الورق المقوى حول الجدار الداخلي للصندوق (الشكل 1A).
   ملاحظة: قطعة من الورق المقوى ضرورية لالعث الكبار لعقد بينما تمتد أجنحتها خلال eclosion (الشكل 1A).
2. وضع silkmoth الذكور (Bombyx مور ط) الشرانق في منطقة الجزاء، والاحتفاظ بها في حاضنة حتى eclosion تحت 16 ساعة: ضوء 8 ساعة: دورة الظلام عند 25 درجة مئوية.
   ملاحظة: الذكور والإناث الشرانق يمكن أن يكون هناك تمييز من علامات الجنس على البطن (الشكل 1B).
3. جمع الفراشات الذكور البالغين بعد eclosion ونقلها إلى مربع جديد.
4. الحفاظ على العث الكبار في حاضنة تحت 16 ساعة: ضوء 8 ساعة: دورة الظلام وانخفاض درجة الحرارة إلى 15 درجة مئوية للحد من نشاطهم قبل التجربة.

2. الربط على Silkmoth

1. تلفيق مرفق للالربط (الشكل 2A)
   ملاحظة: يتكون المرفق من الأسلاك النحاسية مع شريط من ورقة رقيقة من البلاستيك في طرفها. وهذا ما يضمن حركة الظهري البطني من القفص الصدري أثناء المشي (الشكل 2B).
   1. إعداد شريط من ورقة رقيقة من البلاستيك، 2 × 40 مم (سمك: 0.1 ملم)، وأضعاف ذلك في الوسط.
   2. إرفاق شريط مطوية إلى غيض من الأسلاك النحاسية بمادة لاصقة.
   3. ثني غيض من قطاع مطوية حيث يتم إرفاق الصدر من silkmoth.
2. استخدام العث الكبار (2-8 أيام من العمر) خلال الفترة الخفيفة للتجربة.
   ملاحظة: الحساسية للفرمون تعتمد بقوة على مدار الساعة الإيقاعية ^18. لأن B. موري هو عثة نهاري، يجب إجراء التجربة خلال الفترة الخفيفة.
3. إزالة بلطف جميع المستويات على الدرسال الصدر (mesonotum) باستخدام قطعة من النسيج الرطب (أو مسحة القطن) وفضح بشرة من mesonotum (الشكل 2C).
4. لصق لاصقة على شريط من البلاستيك على المرفق وعلى سطح mesonotum يتعرض مع صغيرة مفك البراغي شفرة مسطحة والانتظار 5-10 دقيقة حتى لاصقة لم يعد لزجة.
   ملاحظة: يجب على لاصق لا تلمس المفصلي الجناح أو tegulae forewing (الشكل 2C).
5. السندات وmesonotum إلى المرفق.
6. إبقاء فراشة المربوطة قبل وضعه داخل قمرة القيادة للروبوت. عقد المرفق على الوقوف ووضع قطعة من الورق تحت الأرجل للراحة العثة.

3. روبوت تسيطر عليها الحشرات

1. تصميم الأجهزة للروبوت التي تسيطر عليها الحشرات بناء على الأعمال السابقة ^16،17،19.
   ملاحظة: يتكون الروبوت التي تسيطر عليها الحشرات من حلقة مفرغة المدعومة الهواء مع جهاز استشعار الفأرة البصرية لcapturه وتنقل الحشرات، المدمج المخصص المعتمد على AVR وحات متحكم لتجهيز والتحكم في المحركات، واثنين من المحركات العاصمة فرش (الشكلان 3 و 4). الروبوت يمكن أن تعمل على أساس التناوب الكرة مع 96٪ الدقة أو أعلى، ضمن فترة زمنية من 200 مللي ثانية. كما يضمن تنقل أقصى سرعة إلى الأمام (24.8 ملم / ثانية) والسرعة الزاوية (96.3 درجة / ثانية) من silkmoth خلال فرمون السلوك تتبع ^16. تم تصميم تدفق الهواء من مطحنة (الشكل 5A) ونظام التسليم رائحة (الشكل 5B) لفراشة على متن الطائرة على السير بسلاسة على الكرة وتكتسب رائحة من قبل اثنين من الهوائيات. يتم فصل قناة كمية الهواء وتدفق حلقة مفرغة من تلك التي في نظام تسليم رائحة لتجنب التلوث من فرمون.
2. تصميم البرنامج لميكروكنترولر على متن الطائرة على أساس الأعمال السابقة ^(16).
   ملاحظة: متحكم على متن الطائرة يحسب رانه حركات الروبوت من تنقل الحشرات قياس مع جهاز استشعار بصري (التناوب، Δ س، متعدية، Δ ذ؛ الشكل 6). المسافة السفر (Δ L) وتتحول زاوية (Δθ) في وحدة الزمن الروبوت وتحسب على أساس من مسافة السفر من كل عجلة (يسار، Δ L _L، الحق، Δ L _R) مثل Δ L = (Δ L _L + Δ L _R) / 2 وΔθ = (Δ L _L - Δ L _R) / _عجلة التطوير، حيث _عجلة D هي المسافة بين العجلات (120 ملم). ووصف Δ L _L وΔ L _R أكثر مع Δ L _L = Δ ل _{س، L} + Δ L _{y و L} وΔ L _R = Δ ل _{س، R} + Δ L _{ذ، ر،} حيث Δ ل _{س، L <}/ دون> وΔ ل _{س، R} هي مسافات السفر من العجلات على الجانبين الأيسر والأيمن يسيطر عليها Δ س، وΔ L _{y و L} وΔ L _{y و R} هي تلك التي تسيطر عليها Δ ذ. من الناحية المثالية، Δ ل _{س، L} و Δ ل _س، موصوفة _R كما Δ ل _{س، L} = -Δ ل _{س، ص} = G Δ س _(عجلة D / _الكرة D)، وΔ L _{y و L} وΔ L _{ص ،} موصوفة _R كما Δ L _{y و L} = Δ L _{ص، R} = G Δ ذ، حيث G هو مكسب السيارات _والكرة D هو قطر الكرة (50 ملم). في الممارسة العملية، يتم تعيين مكاسب المحرك بشكل مستقل من قبل كل جانب (اليسار أو اليمين عجلة) وكل اتجاه (إلى الأمام أو إلى الخلف دوران) وذلك لمعايرة حركة الروبوت. المكاسب مستقلة تسمح كذلك لتحديد دوران المحرك غير متناظرة لتوليد التحيز تحول الروبوت (راجع الخطوة 6.1).
3. غسل سطح بيضاء الكرة البوليستيرين (الكتلة: حوالي 2 غرام؛ القطر: 50 ملم) مع الماء لإزالة أي العظة حاسة الشم أو بصرية ممكنة.
   ملاحظة: يجب معاملة خشنة السطح من الكرة الجديدة مع الصنفرة غرامة الحصباء، مثل P400، الذي يضمن قبضة الساقين على الكرة.
4. تشغيل مروحة منفاخ التي تزود الهواء في 9 V إلى حلقة مفرغة ويطفو على الكرة (الشكل 5A). مراقبة الكرة تطفو حوالي 2 مم من قاع الكأس.
5. باستخدام المسمار، ونعلق الأسلاك النحاسية المرفق مع فراشة (راجع الخطوة 2) لاعبا اساسيا في قمرة القيادة للروبوت (انظر الشكل 3 الشكل). تأكد من أن موقف الساقين الأوسط في مركز الكرة (الشكل 7A).
6. ضبط الوضع الرأسي للمرفق لتمكين العثة على المشي بشكل طبيعي على بجميع. ابقاء الكرة في نفس الارتفاع قبل وبعد ربط فراشة (7B الشكل).
   ملاحظة: الموقف ايضا منخفض المرفق يضيف الضغط على العثة ويتسبب المشي إلى الوراء لمقاومة الضغط (الشكل 7C)، في حين أن الموقف ايضا عالية يسبب المشي غير مستقرة والفشل من أجهزة الاستشعار بسبب التغيرات في الوضع الرأسي لل الكرة (الشكل 7D). للتحقق السلوك المشي العادي، يتم استخدام التحفيز فرمون واحد ينفخ لتحريك المشي في فراشة (لتحفيز فرمون، راجع الخطوة 4). لاحظ أن التحفيز الاختبار يجب أن يكون الحد الأدنى لالتعرض السابق لبومبيكول habituates silkmoths وانخفاض حساسيتها (ماتسوياما وكانزاكي، بيانات غير منشورة).

4. إعداد مصدر الرائحة

ملاحظة: ذكر ب موري هي حساسة لعنصرا رئيسيا في مناوع فرمون الإناث (بومبيكول: (E، Z) -10،12-hexadecadien-1-أول) 20. أي تلوث المعدات التجريبية مع بومبيكول يتسبب سلوك تتبع رائحة ويؤثر على الاستجابة للفراشة.

1. إسقاط 10 ميكرولتر من الحل بومبيكول يذوب في ن الهكسان (200 نانوغرام / ميكرولتر) على قطعة من ورق الترشيح (حوالي 10 ملم × 10 ملم). كمية بومبيكول في قطعة من ورق الترشيح هو 2000 نانوغرام.
   ملاحظة: للتحقق من السلوك العادي قريبة من العث، وإعداد خرطوشة فرمون التحفيز في هذه الخطوة. خرطوشة هو الزجاج ماصة باستير مع قطعة واحدة من ورق الترشيح تحتوي على 2000 نانوغرام من بومبيكول. دفع لمبة نفث في بومبيكول الهواء تحتوي على.

5. رائحة المصدر التعريب تجربة

1. تشغيل مروحة من نفق الرياح سحب الهواء من نوع (1800 × 900 × 300 مم، L × W × H، الشكل 8)، وضبط سرعة الرياح إلى 0.7 متر / ثانية. تأكد من أن درجة الحرارة أكثر من 20 درجة مئوية.
2. تعيين مصدر الرائحة (عIECE من ورق الترشيح التي تحتوي على بومبيكول) المنبع من نفق الرياح.
   ملاحظة: يجب أن يكون وأكد عرض عمود قبل التجربة باستخدام TiCl ₄ ^17،19.
3. بدوره على متن متحكم للروبوت وتأسيس اتصال تسلسلي إلى جهاز الكمبيوتر عن طريق البلوتوث.
4. إطلاق برنامج جافا من صنع مخصص يسمى "BioSignal"، والذي يوفر واجهة بين الكمبيوتر والروبوت.
   ملاحظة: يتضمن الإطار الرئيسي أزرار لإرسال الأوامر إلى الروبوت، ويندوز النص لعرض المدخلات والمخرجات للبلاغ المسلسل، ومربعات صغيرة لتكوين المعلمات. يتم إرسال أوامر لاحقة بالنقر فوق الأزرار المقابلة في هذا البرنامج، باستثناء التقاط الفيديو.
5. انقر على "حول جهاز" زر لتأكيد الاتصال عن طريق إرسال الأوامر لالروبوت عبر منفذ COM المحدد وتحقق من أن رسالة يتم إرجاع بواسطة الروبوت.
6. انقر على "مذكرةراي محو "الزر لمحو بيانات الحركة السابقة تركت على ذاكرة فلاش على متن الطائرة.
7. انقر على زر "drivemode1" لارسال المكاسب المحرك الافتراضي للروبوت.
   ملاحظة: يتم تطبيق التلاعب من المكاسب السيارات وتأخير الوقت بين الحركة الحشرات وحركة الروبوت بعد هذه الخطوة (انظر الخطوات 6.1 و 6.3، الشكل 9).
8. انقر على زر "لا تدفع" لإرسال الأوامر للشل حركة الروبوت حتى تبدأ التجربة.
9. وضع الروبوت في موضع بداية (600 ملم المصب من مصدر الرائحة)، وبدوره على التبديل مجلس سائق السيارات.
10. تضغط على الزر تسجيل الكاميرا لبدء التقاط الفيديو.
11. انقر على زر "البدء تفصيل" لإرسال أمر بداية لبدء الروبوت مع تسجيل وقت واحد من دوران الكرة على ذاكرة فلاش على متن الطائرة. نلاحظ أن الروبوت يبدأ في التحرك والمسارات عمود رائحة.
12. اضغط على"توقف تفصيل" و "لا تدفع" أزرار لإرسال الأوامر إلى وقف كل من حركة الروبوت وتسجيل إذا كان الروبوت يموضع مصدر الرائحة.
13. تضغط على الزر تسجيل كاميرا الفيديو لوقف التقاط الفيديو.
14. تحميل سجلت بيانات الحركة من ذاكرة فلاش على متن الطائرة إلى الكمبيوتر عبر اتصال تسلسلي. أغلق البرنامج.

6. التلاعب روبوت تسيطر عليها الحشرات

ملاحظة: يشار توقيت كل التلاعب في الشكل 9.

1. التلاعب من المكاسب السيارات
   ملاحظة: هذا التلاعب يغير من سرعة متعدية والتناوب للروبوت. مكاسب السيارات غير المتكافئة تولد التحيز تحول، والتي يمكن استخدامها لدراسة كيفية تعويض الحشرات عن التحيز ^17.
   1. تحديد المكاسب الدوران للأمام والوراء دوران المحرك على كل جانب ¹⁷ (الشكل 6B) عن طريق تحرير الملف التكوين ه يدعى "param2.txt" باستخدام محرر النصوص.
   2. انقر على "PARAM2 ضبط" لقراءة ملف التكوين تحريره في البرنامج. ثم، انقر على "drivemode2" لارسال المكاسب التلاعب بها لالروبوت.
2. قلب من إخراج السيارات
   ملاحظة: يوفر هذا التلاعب حالة مشابهة لقلب المدخلات الثنائي حاسة الشم (راجع الخطوة 6.4)، ويمكن استخدامها للتحقيق في أهمية الشم الثنائي. ومع ذلك، فإن انعكاس للناتج المحرك أيضا المقلوب الحركة البصرية التي يسببها الذاتي للعثة على متن الطائرة. تأثير المدخلات البصرية التي يسببها النفس مقلوب يمكن تقييمها من قبل مقارنة مع إدخال حاسة الشم مقلوب ^19.
   1. عكس التحكم في المحركات الثنائية عن طريق عبور كابلات التحكم لكل محرك.
3. التلاعب في تأخير الوقت بين الحركة الحشرات وحركة الروبوت.
   ملاحظة: هذا التلاعبيسمح للتحقيق في فترة مقبولة من الوقت الذي يقضيه في معالجة الحسية والحركية لالروبوتية رائحة تتبع. متحكم بتخزين بيانات الحركة على الذاكرة عازلة ثم يعالج ذلك بعد تأخير زمني محدد. لاحظ أن الروبوت لديه القصوى تأخير وقت الداخلي 200 ميللي ثانية. وبالتالي، من المتوقع أن يكون التأخير الزمني المحدد بالإضافة إلى 200 مللي ثانية ^16،17 تأخر الوقت الفعلي.
   1. إدخال رقم (0-10) في مربع صغير من النافذة الرئيسية لتحديد فترة زمنية من 0-1،000 ميللي ثانية في الخطوات 100 ميللي ثانية.
   2. انقر على زر "المقرر تاخير" لتطبيق تأخير الوقت.
4. التلاعب في المدخلات حاسة الشم.
   ملاحظة: هذا التلاعب يمكن أن تستخدم للتحقيق في أهمية مساهمة الثنائي حاسة الشم. منحازة باتجاه موجة من silkmoths على الجانب تركيز أعلى ^22.
   1. تغيير الفجوة بين النصائح أنبوب الشفط أو عكس مواقفهم لتغييرالفرق في تركيز الرائحة التي حصل عليها كل هوائي.
5. التلاعب في المدخلات البصرية
   ملاحظة: هذا التلاعب هو التحقيق في دور المدخلات البصرية لرائحة تتبع.
   1. تغطية مظلة مع ورقة بيضاء حتى تسبب انسداد 105 ° و 90 ° من المجال البصري الأفقي والرأسي للعثة على متن الطائرة، على التوالي.

النتائج

نقدم هنا الخصائص الأساسية للروبوت التي تسيطر عليها الحشرات اللازمة لتوطين الناجح لمصدر الرائحة. يتم فحص المقارنة بين الروبوت وsilkmoths، فعالية نظام التسليم رائحة، وأهمية حاسة الشم الثنائي دقيقة والمدخلات البصرية.

Discussion

أهم النقاط من أجل السيطرة الناجحة للروبوت من قبل silkmoth يتم السماح فراشة سيرا على الأقدام بسلاسة على الكرة المدعومة الهواء وقياس ثبات دوران الكرة. ولذلك، الربط وsilkmoth والمتصاعدة على الكرة في المكان المناسب هي الخطوات الحاسمة في هذا البروتوكول. والتصاق غير لائق من العث?...

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.