Insekt gesteuerte Roboter: Ein mobiler Roboter-Plattform, die geruchs Tracking-Fähigkeit eines Insekts zur Bewertung

Zusammenfassung

Die Fähigkeit, eine Geruchsquelle zu lokalisieren, ist für Insekten Überleben notwendig und wird voraussichtlich künstlichen geruchs Tracking anwendbar. Das Insekt gesteuerte Roboter wird von einem tatsächlichen silkmoth angetrieben und ermöglicht es uns, die geruchs Tracking-Fähigkeit von Insekten durch eine Roboterplattform zu bewerten.

Zusammenfassung

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.

Einleitung

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.

Protokoll

1. Versuchstier

1. Bereiten Sie eine Kunststoff - Box die Puppen der männlichen silkmoths (B. mori) bis zu ihrem Schlüpfen zu halten. Legen Sie Papiertücher an der Unterseite und Stücke Pappe um die Innenwand des Gehäuses (1A).
   Hinweis: Die Kartonstücke notwendig sind für die erwachsenen Motten zu halten , während ihre Flügel erstreckt während Schlüpfen (1A).
2. Setzen männlich silkmoth (Bombyx mor i) pupae in das Feld ein und halten sie in einem Inkubator bis Schlüpfen unter einem 16-h: 8-Stunden Licht: Dunkel - Zyklus bei 25 ° C.
   HINWEIS: Die männlichen und weiblichen pupae kann durch den Geschlechts Markierungen auf dem Bauch (1B) unterschieden werden.
3. Sammeln erwachsenen männlichen Motten nach dem Schlüpfen und verschieben Sie sie in ein neues Feld.
4. Halten Sie die Falter in einem Inkubator unter einer 16-h: 8-Stunden Licht: Dunkel-Zyklus und verringern Sie die Temperatur auf 15 ° C ihre Aktivität vor dem Experiment zu reduzieren.

2. Tethering ein Silkmoth

1. Herstellung eines Aufsatzes für Anbinden (2A)
   Hinweis: Die Befestigung besteht aus einem Kupferdraht mit einem Streifen aus einem dünnen Kunststoffblatt an seiner Spitze. Dies gewährleistet die dorsal-ventral Bewegung des Brustkorbs beim Gehen (2B).
   1. Bereiten Sie einen Streifen aus einem dünnen Plastikfolie, 2 × 40 mm (Dicke: 0,1 mm), und falten Sie es in der Mitte.
   2. Bringen Sie den gefalteten Streifen an der Spitze eines Kupferdraht mit einem Klebstoff.
   3. Biegen Sie die Spitze des gefalteten Streifens, wo der Thorax eines silkmoth angebracht ist.
2. Verwenden Falter (2-8 Tage alt) während der Lichtperiode für das Experiment.
   Anmerkung: Die Empfindlichkeit gegenüber dem Pheromon hängt stark von der zirkadianen Uhr ^18. Weil B. mori eine tagaktive Nachtfalter ist, muss das Experiment während der Lichtperiode durchgeführt werden.
3. Entfernen Sie vorsichtig alle Skalen auf der dorsal Thorax (mesonotum) ein Stück nasses Gewebe (oder Wattestäbchen) und setzen die Kutikula der mesonotum (2C) verwendet wird .
4. Fügen Sie einen Klebstoff auf dem Streifen aus Kunststoff auf der Anlage und auf der Oberfläche des freiliegenden mesonotum mit einem kleinen Schlitzschraubendreher und warten 5-10 Minuten, bis der Kleber nicht mehr klebrig.
   Hinweis: Der Klebstoff nicht die Flügelscharnier oder die forewing tegulae (Abbildung 2C) berühren.
5. Bindung, die die mesonotum zur Befestigung.
6. Halten Sie die moth gebunden, bevor sie im Cockpit des Roboters platziert. Halten Sie die Befestigung auf einem Stativ und legte ein Stück Papier unter den Beinen der Falter ruhen.

3. Insektengesteuerte Roboter

1. Entwerfen Sie die Hardware des Insekts gesteuerten Roboter auf der Grundlage früherer Arbeiten ^16,17,19.
   Hinweis: Das Insekt gesteuerten Roboter besteht aus einem luftgestützten Laufband mit einer optischen Maus Sensor capture das Insekt Fortbewegung, custom-built AVR-basierte Mikrocontroller - Boards für die Verarbeitung und Motorsteuerung sowie zwei DC Brushless - Motoren (3 und 4). Der Roboter kann mit 96% Genauigkeit oder höher ist, innerhalb einer Zeitverzögerung von 200 msec auf der Basis der Kugeldrehung auszuführen. Es sorgt auch für die Mobilität der maximalen Vorwärtsgeschwindigkeit (24,8 mm / sec) und die Winkelgeschwindigkeit (96,3 ° / sec) des silkmoth während Pheromon Nachführverhalten ^16. Der Luftstrom der Tretmühle (5A) und Geruchsabgabesystem (5B) sind für die Onboard - Motte auf den Ball zu gehen reibungslos und einen Geruch von zwei Antennen zu erwerben. Der Lufteinlass und Strömungskanal des Laufbandes von denen des Geruchsabgabesystem getrennt Kontamination des Pheromons zu vermeiden.
2. Entwerfen Sie die Software für die Onboard - Mikrocontroller basiert auf früheren Arbeiten ^16.
   Hinweis: Die integrierte Mikrocontroller berechnet ter Roboterbewegungen von der Insekten Lokomotion mit einem optischen Sensor gemessen wird (Rotations, Δ x; Translations, Δ y; 6). Die Distanz (Δ L) und Drehwinkel (Δθ) pro Zeiteinheit des Roboters auf der Grundlage der Entfernung von jedem Rad berechnet (links, Δ L _L, rechts, Δ L _R) wie Δ L = (Δ L _L + Δ L _R) / 2 und Δθ = (Δ L _L - Δ L _R) / D _Rad, wobei D _Rad ist der Abstand zwischen den beiden Rädern (120 mm). Δ L _L und Δ L _R werden weiter als Δ L _L beschriebenen = Δ L _{x, L} + Δ L _{y, L} und Δ L _R = Δ L _{x, R} + Δ L _{y, R,} wobei Δ L _{x, L <}/ sub> und L _{x Δ, R} die Wegstrecken der Räder auf der linken und rechten Seite gesteuert durch Δ x und Δ _{y L, L} und L Δ _{y sind,} sind diejenigen , die durch _R Δ y gesteuert. Idealerweise Δ L _{x, L} und Δ L _{x, R} wie Δ L _{x, L} = -Δ L _{x, R} = G Δ x (D _Rad / D - _Ball) und Δ L _{y, L} und Δ L _y beschrieben _{, R} sind als Δ L _{y, L} = Δ L _{y, R} = G Δ y beschrieben ist , wobei G die Motorverstärkung und D _Kugel ist , ist der Durchmesser der Kugel (50 mm). In der Praxis wird die Motorverstärkung von jeder Seite (links oder rechts Rad) und jede Richtung (Vorwärts- oder Rückwärtsdrehung) unabhängig eingestellt, um die Roboterbewegung zu kalibrieren. Die unabhängige Verstärkungen lassen weiter für dieEinstellung von asymmetrischen Motordrehung eine Dreh Vorspannung des Roboters zu erzeugen (siehe Schritt 6.1).
3. Waschen Sie die Oberfläche eines weißen expandiertem Polystyrol Kugel (Masse: ca. 2 g, Durchmesser: 50 mm) mit Wasser mögliche Geruchs oder visuelle Hinweise zu entfernen.
   Hinweis: Die Oberfläche eines Balles sollte mit feinem Schleifpapier, wie P400 aufgeraut werden, was den Griff der Beine auf den Ball sicher.
4. Schalten Sie das Gebläse , die Luft bei 9 V zu dem Laufband und schwimmt die Kugel (5A) liefert. Beachten Sie die Kugel schweben etwa 2 mm vom Boden des Bechers.
5. Mit Hilfe einer Schraube, befestigen Sie den Kupferdraht der Anlage mit dem Falter (siehe Schritt 2) an einer Halterung im Cockpit des Roboters (Abbildung 3 Einsatz sehen). Stellen Sie sicher , dass die Position der Mittelschenkel in der Mitte der Kugel (7A) ist.
6. Stellen Sie die vertikale Position der Befestigung der Motte zu ermöglichen, die üblicherweise auf dem b zu gehenalle. Halten Sie den Ball auf gleicher Höhe vor und nach dem Motte (7B) zu befestigen.
   Hinweis: Eine zu niedrige Position des Befestigungsdruck auf die Motte fügt hinzu und entlockt rückwärts zu Fuß den Druck (7C) zu widerstehen, während eine zu hohe Position instabil zu Fuß und Ausfälle des Sensors verursacht aufgrund von Änderungen in der vertikalen Position die Kugel (Abbildung 7D). Um den normalen Laufverhalten zu überprüfen, ein Single-paffte Pheromon Stimulus verwendet wird auszulösen in der Motte zu Fuß (für den Pheromon Reiz, siehe Schritt 4). Beachten Sie, dass der Testreiz minimal sein muss, weil frühere Exposition zu Bombykol gewöhnt silkmoths und verringert ihre Empfindlichkeit (Matsuyama und Kanzaki, nicht veröffentlichte Daten).

4. Geruchsquelle Vorbereitung

Hinweis: männlich B. mori an die Hauptkomponente des conspecific Pheromon weiblichen Geschlechts empfindlich sind (Bombykol: (E, Z) -10,12-hexadecadien-1-ol) 20. Jede Verunreinigung der experimentellen Ausrüstung mit Bombykol entlockt den Geruch Verfolgungsverhalten und wirkt sich auf die Reaktionsfähigkeit der Motte.

1. Drop 10 ul der Bombykol Lösung gelöst in n-Hexan (200 ng / & mgr; l) auf einem Stück Filterpapier (etwa 10 mm × 10 mm). Die Menge an Bombykol pro Stück Filterpapier ist 2000 ng.
   Hinweis: ein Pheromon Stimulus Patrone in diesem Schritt die normale Laufverhalten der Motte zu überprüfen, vorzubereiten. Die Patrone ist ein Glaspasteurpipette mit einem Stück Filterpapier, enthaltend 2,000 ng Bombykol. Schieben einer Glühlampe bläht die Luft, die Bombykol.

5. Geruchslokalisation Experiment

1. Schalten Sie den Ventilator einer Zieh-Luft-Art Windkanal (1.800 × 900 × 300 mm, L × B × H; 8) und stellen Sie die Windgeschwindigkeit auf 0,7 m / sec. Sicherzustellen, dass die Temperatur mehr als 20 ° C ist.
2. Stellen Sie die Geruchsquelle (die pIECE aus Filterpapier enthält Bombykol) vor dem Windkanal.
   Hinweis: Die plume Breite sollte durch Verwendung von TiCl ₄ ^17,19 vor dem Experiment bestätigt werden.
3. Schalten Sie den Mikrocontroller-Board des Roboters und stellen Sie eine serielle Verbindung zu einem PC über Bluetooth.
4. Starten Sie eine maßgeschneiderte Java-Programm namens "Biosignalverarbeitung", die eine Schnittstelle zwischen dem PC und dem Roboter zur Verfügung stellt.
   Hinweis: Das Hauptfenster enthält Tasten für Befehle an den Roboter, Textfenster zum Anzeigen der Ein- und Ausgabe der seriellen Kommunikation zu senden, und kleine Boxen Parameter zu konfigurieren. Die nachfolgenden Befehle werden durch Klicken auf entsprechende Schaltflächen in diesem Programm gesendet, mit Ausnahme der Videoaufnahme.
5. Klicken Sie auf das "über Gerät", um die Verbindung zu bestätigen, indem Sie einen Befehl an den Roboter über den angegebenen COM-Port zu senden und prüfen, ob eine Nachricht vom Roboter zurückgeführt wird.
6. Klicken Sie auf das "Memory Lösch "Taste vorherige Bewegungsdaten auf dem internen Flash-Speicher links zu löschen.
7. Klicken Sie auf den "drivemode1", um die Standard-Motor gewinnt an den Roboter zu senden.
   Hinweis: Die Manipulationen der Motor Gewinne und die Zeitverzögerung zwischen Insekten Lokomotion und Roboterbewegung sind nach diesem Schritt angewendet (siehe Schritte 6.1 und 6.3, Abbildung 9).
8. Klicken Sie auf das "nicht fahren", um einen Befehl zu senden, um den Roboter zu immobilisieren, bis das Experiment beginnt.
9. Setzen Sie den Roboter an einer Startposition (600 mm hinter der Geruchsquelle) und schalten Sie den Schalter des Motortreiberplatine.
10. Drücken Sie die Aufnahmetaste des Camcorders Video-Capture zu starten.
11. Klicken Sie auf den "Aufnahmestart", um einen Startbefehl zu senden, um den Roboter mit einer gleichzeitigen Aufnahme der Kugeldrehung auf dem internen Flash-Speicher zu initiieren. Beachten Sie, dass der Roboter zu bewegen beginnt und verfolgt die Geruchsfahne.
12. Klicken Sie auf"Rec stop" und "nicht fahren" Tasten Befehle zu senden, sowohl die Roboterbewegung und die Aufnahme zu stoppen, wenn der Roboter die Geruchsquelle lokalisiert.
13. Drücken Sie die Aufnahmetaste des Camcorders Video-Capture zu stoppen.
14. Herunterladen aufgezeichnet Bewegungsdaten aus dem integrierten Flash-Speicher an den Computer über eine serielle Verbindung. Schließe das Programm.

6. Manipulation des Insektengesteuerten Roboter

Anmerkung: Der Zeitpunkt jeder Manipulation ist in Figur 9 angedeutet ist .

1. Manipulation des Motors gewinnt
   Anmerkung: Diese Manipulation ändert die Translations- und Rotationsgeschwindigkeit des Roboters. Asymmetrische Motor Gewinne erzeugen eine Dreh Vorspannung, die verwendet werden können , zu untersuchen , wie Insekten für die Vorspannung ¹⁷ kompensieren.
   1. Definieren die Dreh Verstärkungen für Vorwärts- und Rückwärtsdrehung des Motors auf jeder Seite ¹⁷ (6B) und bearbeite tene-Konfigurationsdatei "param2.txt" mit einem Texteditor benannt.
   2. Klicken Sie auf das "set param2", um die bearbeitete Konfigurationsdatei in der Software lesen. Dann klicken Sie auf den "drivemode2", um die manipulierte Gewinne an den Roboter senden.
2. Inversion der Motorausgangs
   Anmerkung: Diese Manipulation stellt eine Bedingung ähnlich zu der Inversions bilateraler olfaktorischen Eingang (siehe Schritt 6.4) und können verwendet werden , die Bedeutung der bilateralen olfaction zu untersuchen. die Umkehrung der Motorleistung kehrt jedoch auch selbstinduzierte visuelle Bewegung eines Onboard-Motte. Die Auswirkungen der invertierte selbstinduzierte visuelle Eingabe ¹⁹ kann durch einen Vergleich mit dem invertierten Eingangs olfaktorischen ausgewertet werden.
   1. Kehren Sie die bilateralen Motorsteuerung durch die Steuerkabel überquert für jeden Motor.
3. Eine Manipulation der Zeitverzögerung zwischen Insekten Lokomotion und Roboterbewegung.
   Hinweis: Diese Manipulationermöglicht die Untersuchung der akzeptablen Zeitraums auf sensomotorische Verarbeitung für die Robotergeruchs Tracking ausgegeben. Der Mikrocontroller speichert die Bewegungsdaten auf einem Pufferspeicher, und verarbeitet sie nach der festgelegten Zeitverzögerung. Beachten Sie, dass der Roboter eine maximale interne Zeitverzögerung von 200 msec hat; Daher wird die tatsächliche Zeitverzögerung erwartet die spezifizierte Zeitverzögerung plus 200 msec ^16,17 sein.
   1. Geben Sie eine Nummer (0 bis 10) in einem kleinen Feld des Hauptfensters eine Zeitverzögerung von 0-1.000 ms bei 100 ms Schritten angeben.
   2. Klicken Sie auf die "set Verzögerung", um die Zeitverzögerung zu übernehmen.
4. Manipulation des olfaktorischen Input.
   Hinweis: Dieses Manipulation verwendet werden , um die Bedeutung der bilateralen olfaktorischen Input zu untersuchen. Der starke Anstieg Richtung silkmoths ist auf der höheren Konzentration Seite ²² vorgespannt ist .
   1. Ändern Sie den Abstand zwischen den Absaugschlauch Tipps oder ihre Positionen umkehren zu verändern, dieUnterschied in der Geruchsstoffkonzentration von jeder Antenne erfasst.
5. Manipulation von visuellen Input
   Hinweis: Diese Manipulation ist es, die Rolle der visuellen Input für die Geruchsverfolgung zu untersuchen.
   1. Decken Sie den Baldachin mit einem weißen Papier, das 105 ° und 90 ° von der horizontalen und vertikalen Sichtfeld des onboard Motte okkludiert sind.

Ergebnisse

Wir stellen hier die grundlegenden Eigenschaften des Insekts gesteuerten Roboter für die erfolgreiche Lokalisierung einer Geruchsquelle erforderlich. Der Vergleich zwischen dem Roboter und silkmoths, die Wirksamkeit der Geruchsabgabesystems, und die Bedeutung der genauen bilateralen olfaktorische und visuelle Eingänge untersucht.

Der Vergleich von geruchs Tracking - Verhalten zwischen frei-Walking Motten und das Insekt geste...

Diskussion

Die wichtigsten Punkte für die erfolgreiche Steuerung des Roboters durch eine silkmoth einlassen die Motte auf dem luftgestützten Ball laufen reibungslos und stabil die Kugeldrehung zu messen. Daher ist die silkmoth Anbinden und es auf der Kugel an der entsprechenden Position sind die kritischsten Schritte in diesem Protokoll Montage. Unangemessen Haftung der Motte auf die Befestigung oder ungeeigneten Positionierung der Motte auf den Ball wird unnatürliche Druck verursachen auf sie, das Verhalten seiner normalen Geh...

Materialien

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.