Name: insect-controlled robot: a mobile robot platform to evaluate the odor-tracking capability of an insect
Uploaded: 2016-12-19T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min
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We thank Shigeru Matsuyama for providing purified bombykol. This work was supported by the Japan Society for the Promotion of Science KAKENHI (grant numbers 22700197 and 24650090) and the Human Frontier Science Program (HFSP).

1. Versuchstier <ol><li> 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). </li><li> 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. </li><li> Sammeln erwachsenen männlichen Motten nach dem Schlüpfen und verschieben Sie sie in ein neues Feld. </li><li> 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. </li></ol> 2. Tethering ein Silkmoth <ol><li> 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). <ol><li> Bereiten Sie einen Streifen aus einem dünnen Plastikfolie, 2 × 40 mm (Dicke: 0,1 mm), und falten Sie es in der Mitte. </li><li> Bringen Sie den gefalteten Streifen an der Spitze eines Kupferdraht mit einem Klebstoff. </li><li> Biegen Sie die Spitze des gefalteten Streifens, wo der Thorax eines silkmoth angebracht ist. </li></ol></li><li> 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. </li><li> 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 . </li><li> 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. </li><li> Bindung, die die mesonotum zur Befestigung. </li><li> 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. </li></ol> 3. Insektengesteuerte Roboter <ol><li> 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. </li><li> 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 &lt;/ sub&gt; 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). </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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). </li></ol> 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) <sbis&gt; 20. Jede Verunreinigung der experimentellen Ausrüstung mit Bombykol entlockt den Geruch Verfolgungsverhalten und wirkt sich auf die Reaktionsfähigkeit der Motte. <ol><li> Drop 10 ul der Bombykol Lösung gelöst in n-Hexan (200 ng / &amp; 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. </li></ol> 5. Geruchslokalisation Experiment <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Schalten Sie den Mikrocontroller-Board des Roboters und stellen Sie eine serielle Verbindung zu einem PC über Bluetooth. </li><li> Starten Sie eine maßgeschneiderte Java-Programm namens &quot;Biosignalverarbeitung&quot;, 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. </li><li> Klicken Sie auf das &quot;über Gerät&quot;, 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. </li><li> Klicken Sie auf das &quot;Memory Lösch &quot;Taste vorherige Bewegungsdaten auf dem internen Flash-Speicher links zu löschen. </li><li> Klicken Sie auf den &quot;drivemode1&quot;, 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). </li><li> Klicken Sie auf das &quot;nicht fahren&quot;, um einen Befehl zu senden, um den Roboter zu immobilisieren, bis das Experiment beginnt. </li><li> Setzen Sie den Roboter an einer Startposition (600 mm hinter der Geruchsquelle) und schalten Sie den Schalter des Motortreiberplatine. </li><li> Drücken Sie die Aufnahmetaste des Camcorders Video-Capture zu starten. </li><li> Klicken Sie auf den &quot;Aufnahmestart&quot;, 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. </li><li> Klicken Sie auf&quot;Rec stop&quot; und &quot;nicht fahren&quot; Tasten Befehle zu senden, sowohl die Roboterbewegung und die Aufnahme zu stoppen, wenn der Roboter die Geruchsquelle lokalisiert. </li><li> Drücken Sie die Aufnahmetaste des Camcorders Video-Capture zu stoppen. </li><li> Herunterladen aufgezeichnet Bewegungsdaten aus dem integrierten Flash-Speicher an den Computer über eine serielle Verbindung. Schließe das Programm. </li></ol> 6. Manipulation des Insektengesteuerten Roboter Anmerkung: Der Zeitpunkt jeder Manipulation ist in Figur 9 angedeutet ist . <ol><li> 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. <ol><li> Definieren die Dreh Verstärkungen für Vorwärts- und Rückwärtsdrehung des Motors auf jeder Seite 17 (6B) und bearbeite tene-Konfigurationsdatei &quot;param2.txt&quot; mit einem Texteditor benannt. </li><li> Klicken Sie auf das &quot;set param2&quot;, um die bearbeitete Konfigurationsdatei in der Software lesen. Dann klicken Sie auf den &quot;drivemode2&quot;, um die manipulierte Gewinne an den Roboter senden. </li></ol></li><li> 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. <ol><li> Kehren Sie die bilateralen Motorsteuerung durch die Steuerkabel überquert für jeden Motor. </li></ol></li><li> 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. <ol><li> 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. </li><li> Klicken Sie auf die &quot;set Verzögerung&quot;, um die Zeitverzögerung zu übernehmen. </li></ol></li><li> 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 . <ol><li> Ändern Sie den Abstand zwischen den Absaugschlauch Tipps oder ihre Positionen umkehren zu verändern, dieUnterschied in der Geruchsstoffkonzentration von jeder Antenne erfasst. </li></ol></li><li> Manipulation von visuellen Input Hinweis: Diese Manipulation ist es, die Rolle der visuellen Input für die Geruchsverfolgung zu untersuchen. <ol><li> Decken Sie den Baldachin mit einem weißen Papier, das 105 ° und 90 ° von der horizontalen und vertikalen Sichtfeld des onboard Motte okkludiert sind. </li></ol></li></ol>

The authors have nothing to disclose.

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...

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 localization2-4.
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 reception5,6. These reactive strategies have been well-documented in insects and further combined with other modalities, such as wind direction and vision5-8. The insect behavioral models have also been useful examples for robotics3,9-11, in which behavioral algorithms or neural circuit models are implemented into mobile robots for the evaluation of odor source localization abilities10,12-15. 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 system16,17. 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.

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

insect-controlled robot: a mobile robot platform to evaluate the odor-tracking capability of an insect

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.

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...

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Insect-controlled Robot: A Mobile Robot Platform to Evaluate the Odor-tracking Capability of an Insect

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.

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

Robotic odor source localization has been a challenging area and one to which biological knowledge has been expected to contribute, as finding odor ...

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Research

JoVE Journal

Neuroscience

14.6K Aufrufe.  The University of Tokyo.  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. 

Serie: Insect-controlled Robot: A Mobile Robot Platform to Evaluate the Odor-tracking Capability of an Insect

High-resolution Measurement of Odor-Driven Behavior in Drosophila Larvae

Olfactory responses in Drosophila larvae have been traditionally studied in Petri dishes comprising a single peripheral odor source. In this behavioral paradigm, the experimenter usually assumes that the rapid diffusion of odorant molecules from the source leads to the creation of a stable gradient in the dish. To establish a quantitative correlation between sensory inputs and behavioral responses, it is necessary to achieve a more thorough characterization of the odorant stimulus conditions. In this video article, we describe a new method allowing the construction of odorant gradients with stable and controllable geometries. We briefly illustrate how these gradients can be used to screen for olfactory defects (full and partial anosmia) and to study more subtle features of chemotaxis behavior.

In this video article, we describe a new method allowing the construction of odorant gradients with stable and controllable geometries. We briefly illustrate how these gradients can be used to screen for olfactory defects (full and partial anosmia) and to study more subtle features of chemotaxis behavior.

Hochauflösende Messung von Odor-Driven Behavior in Drosophila-Larven

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Forschung

Biologie

Visually Mediated Odor Tracking During Flight in Drosophila

Flying insects use visual cues to stabilize their heading in a wind stream. Many animals additionally track odors carried in the wind. As such, visual stabilization of upwind tracking directly aids in odor tracking. But do olfactory signals directly influence visual tracking behavior independently from wind cues? Additionally, recent advances in olfactory molecular genetics and neurophysiology have motivated novel quantitative behavioral analyses to assess the behavioral influence of (e.g.) genetically inactivating specific olfactory activation circuits. We modified a magnetic tether system originally devised for vision experiments by equipping the arena with narrow laminar flow odor plumes. Here we focus on experiments that can be performed after a fly is tethered and is able to navigate in the magnetic arena. We show how to acquire video images optimized for measuring body angle, how to judge stable odor tracking, and we illustrate two experiments to examine the influence of visual cues on odor tracking.

Here we describe how to optimize the acquired video image for an olfactory magnetic-tether (OMT) apparatus. We also describe two sample experimental protocols for studying visuo-olfactory fusion.

Visuell vermittelte Odor-Tracking während des Fluges in Drosophila

Flying insects use visual cues to stabilize their heading in a wind stream. Many animals additionally track odors carried in the wind. As such, visual ...

A Wind Tunnel for Odor Mediated Insect Behavioural Assays

Olfaction is the most important sensory mechanism by which many insects interact with their environment and a wind tunnel is an excellent tool to study insect chemical ecology. Insects can locate point sources in a three-dimensional environment through the sensory interaction and sophisticated behavior. The quantification of this behavior is a key element in the development of new tools for pest control and decision support. A wind tunnel with a suitable flight section with laminar air flow, visual cues for in-flight feedback and a variety of options for the application of odors can be used to measure complex behaviour which subsequently may allow the identification of attractive or repellent odors, insect flight characteristics, visual-odor interactions and interactions between attractants and odors lingering as background odors in the environment. A wind tunnel holds the advantage of studying the odor mediated behavioural repertoire of an insect in a laboratory setting. Behavioural measures in a controlled setting provide the link between the insect physiology and field application. A wind tunnel must be a flexible tool and should easily support the changes to setup and hardware to fit different research questions. The major disadvantage to the wind tunnel setup described here, is the clean odor background which necessitates special attention when developing a synthetic volatile blend for field application.

Here, we describe the construction and use of a wind tunnel for odor mediated behavioural assays with insects. The wind tunnel design facilitates the release of odor sources by several methods, with and without visual stimuli. Wind tunnel experiments are important methods to identify behaviorally active volatile chemicals.

Ein Windkanal für Geruch vermittelt Insekt Behavioral Assays

Olfaction is the most important sensory mechanism by which many insects interact with their environment and a wind tunnel is an excellent tool to study ...

Verhalten

Vertical T-maze Choice Assay for Arthropod Response to Odorants

Given the economic importance of insects and arachnids as pests of agricultural crops, urban environments or as vectors of plant and human diseases, various technologies are being developed as control tools. A subset of these tools focuses on modifying the behavior of arthropods by attraction or repulsion. Therefore, arthropods are often the focus of behavioral investigations. Various tools have been developed to measure arthropod behavior, including wind tunnels, flight mills, servospheres, and various types of olfactometers. The purpose of these tools is to measure insect or arachnid response to visual or more often olfactory cues. The vertical T-maze oflactometer described here measures choices performed by insects in response to attractants or repellents. It is a high throughput assay device that takes advantage of the positive phototaxis (attraction to light) and negative geotaxis (tendency to walk or fly upward) exhibited by many arthropods. The olfactometer consists of a 30 cm glass tube that is divided in half with a Teflon strip forming a T-maze. Each half serves as an arm of the olfactometer enabling the test subjects to make a choice between two potential odor fields in assays involving attractants. In assays involving repellents, lack of normal response to known attractants can also be measured as a third variable.

A vertical, T-maze olfactometer is described for assaying the behavioral response of arthropods. The olfactometer allows the experimenter to measure choices performed by test subjects when subjected to two potential odor fields. Both attraction to and repulsion from odorants can be measured with this device.

Vertical T-Labyrinth Wahl Assay für Gliederfüßer Response to Geruchsstoffe

Given the economic importance of insects and arachnids as pests of agricultural crops, urban environments or as vectors of plant and human diseases, ...

Neurowissenschaften

Controlled Odor Mimic Permeation Systems for Olfactory Training and Field Testing

The Controlled Odor Mimic Permeation System (COMPS) was developed to provide a convenient field testing method of odor delivery at controlled and reproducible rates. COMPS are composed of an odorant of interest on an absorbent material sealed inside of a permeable polymer bag. The permeable layer allows for a constant release of the odorant over a given amount of time. The permeable bag is further stored in a secondary, impermeable bag. The double-containment procedure allows for equilibration of the odorant from the permeable bag but within the impermeable outer layer, resulting in an instant and reproducible source of odorant vapor upon removal from the outer packaging. COMPS are used in both olfactory testing for experimental scenarios and for olfactory detection training, such as with detection canines. COMPS can be used to contain a wide range of odorants (e.g., narcotics powders) and provide a controlled release of the associated odorants. Odor availability from COMPS is expressed in terms of permeation rate (i.e., the rate of the odorant vapor released from a COMPS per unit time) and is typically measured by gravimetric means. The permeation rate for a given mass or volume of odorant can be adjusted as needed by varying the bag thickness, surface area, and/or polymer type. The available odor concentration from a COMPS can also be measured by headspace analysis techniques such as solid phase microextraction with gas chromatography/mass spectrometry (SPME-GC/MS).

The Controlled Odor Mimic Permeation System is a simple, field-portable, low-cost method of odor delivery for olfactory testing and training. It is constructed of an odorant retained on an adsorbent material and contained inside of a permeable polymer bag allowing controlled release of the odorant vapor over time.

Kontrollierte Geruchsmimik-Permeationssysteme für olfaktorische Schulungen und Feldtests

The Controlled Odor Mimic Permeation System (COMPS) was developed to provide a convenient field testing method of odor delivery at controlled and ...

Chemie

Using Insect Electroantennogram Sensors on Autonomous Robots for Olfactory Searches

Robots designed to track chemical leaks in hazardous industrial facilities1 or explosive traces in landmine fields2 face the same problem as insects foraging for food or searching for mates3: the olfactory search is constrained by the physics of turbulent transport4. The concentration landscape of wind borne odors is discontinuous and consists of sporadically located patches. A pre-requisite to olfactory search is that intermittent odor patches are detected. Because of its high speed and sensitivity5-6, the olfactory organ of insects provides a unique opportunity for detection. Insect antennae have been used in the past to detect not only sex pheromones7 but also chemicals that are relevant to humans, e.g., volatile compounds emanating from cancer cells8 or toxic and illicit substances9-11. We describe here a protocol for using insect antennae on autonomous robots and present a proof of concept for tracking odor plumes to their source. The global response of olfactory neurons is recorded in situ in the form of electroantennograms (EAGs). Our experimental design, based on a whole insect preparation, allows stable recordings within a working day. In comparison, EAGs on excised antennae have a lifetime of 2 hr. A custom hardware/software interface was developed between the EAG electrodes and a robot. The measurement system resolves individual odor patches up to 10 Hz, which exceeds the time scale of artificial chemical sensors12. The efficiency of EAG sensors for olfactory searches is further demonstrated in driving the robot toward a source of pheromone. By using identical olfactory stimuli and sensors as in real animals, our robotic platform provides a direct means for testing biological hypotheses about olfactory coding and search strategies13. It may also prove beneficial for detecting other odorants of interests by combining EAGs from different insect species in a bioelectronic nose configuration14 or using nanostructured gas sensors that mimic insect antennae15.

We describe a protocol for using insect antennae in the form of electroantennograms (EAGs) on autonomous robots. Our experimental design allows stable recordings within a day and resolves individual odor patches up to 10 Hz. The efficiency of EAG sensors for olfactory searches is demonstrated in driving a robot toward an odor source.

Mit Insekten Elektroantennogramm Sensoren auf Autonome Roboter für Riech Suchen

Robots designed to track chemical leaks in hazardous industrial facilities1 or explosive traces in landmine fields2 face the same problem as insects ...

Electroantennography-based Bio-hybrid Odor-detecting Drone using Silkmoth Antennae for Odor Source Localization

Small drones with chemical or biosensor devices that can detect airborne odorant molecules have attracted considerable attention owing to their applicability in environmental and security monitoring and search-and-rescue operations. Small drones with commercial metal-oxide-semiconductor (MOX) gas sensors have been developed for odor source localization; however, their real-time-odor-detection performance has proven inadequate. However, biosensing technologies based on insect olfactory systems exhibit relatively high sensitivity, selectivity, and real-time response with respect to odorant molecules compared to commercial MOX gas sensors. In such devices, excised insect antennae function as portable odorant biosensor elements and have been found to deliver excellent sensing performance. This study presents experimental protocols for odorant-molecule detection in the air using a small autonomous bio-hybrid drone based on a mountable electroantennography (EAG) device incorporating silkmoth antennae.
We developed a mountable EAG device including sensing/processing parts with a Wi-Fi module. The device was equipped with a simple sensor enclosure to enhance the sensor directivity. Thus, odor source localization was conducted using the spiral-surge algorithm, which does not assume an upwind direction. The experimental bio-hybrid odor-detecting drone identified real-time odorant-concentration differences in a pseudo-open environment (outside a wind tunnel) and localized the source. The developed drone and associated system can serve as an efficient odorant molecule-detection tool and a suitable flight platform for developing odor source localization algorithms owing to its high programmability.

This study introduces experimental protocols for a bio-hybrid odor-detecting drone based on silkmoth antennae. The operation of an experimental electroantennogram device with silkmoth antennae is presented, in addition to the structure of a bio-hybrid drone designed for odor source localization using the spiral-surge algorithm.

Elektroantennen-basierte Bio-Hybrid-Geruchserkennungsdrohne mit Seidenmottenantennen zur Lokalisierung von Geruchsquellen

Small drones with chemical or biosensor devices that can detect airborne odorant molecules have attracted considerable attention owing to their ...

Ingenieurwesen

High-resolution Quantification of Odor-guided Behavior in Drosophila melanogaster Using the Flywalk Paradigm

In their natural environment, insects such as the vinegar fly Drosophila melanogaster are bombarded with a huge amount of chemically distinct odorants. To complicate matters even further, the odors detected by the insect nervous system usually are not single compounds but mixtures whose composition and concentration ratios vary. This leads to an almost infinite amount of different olfactory stimuli which have to be evaluated by the nervous system.
To understand which aspects of an odor stimulus determine its evaluation by the fly, it is therefore desirable to efficiently examine odor-guided behavior towards many odorants and odor mixtures. To directly correlate behavior to neuronal activity, behavior should be quantified in a comparable time frame and under identical stimulus conditions as in neurophysiological experiments. However, many currently used olfactory bioassays in Drosophila neuroethology are rather specialized either towards efficiency or towards resolution.
Flywalk, an automated odor delivery and tracking system, bridges the gap between efficiency and resolution. It allows the determination of exactly when an odor packet stimulated a freely walking fly, and to determine the animal&#180;s dynamic behavioral reaction.

High-resolution Quantification of Odor-guided Behavior in Drosophila melanogaster Using the Flywalk Paradigm

The automated tracking system Flywalk is used for high-resolution quantification of odor-guided behavior in Drosophila melanogaster.

Hochaufgelöste Quantifizierung der Geruchsgelenkten Verhalten in<em&gt; Drosophila melanogaster</em&gt; Verwenden der<em&gt; Flywalk</em&gt; Paradigm

In their natural environment, insects such as the vinegar fly Drosophila melanogaster are bombarded with a huge amount of chemically distinct odorants. To ...

Olfactory Behaviors Assayed by Computer Tracking Of Drosophila in a Four-quadrant Olfactometer

A key challenge in neurobiology is to understand how neural circuits function to guide appropriate animal behaviors. Drosophila melanogaster is an excellent model system for such investigations due to its complex behaviors, powerful genetic techniques, and compact nervous system. Laboratory behavioral assays have long been used with Drosophila to simulate properties of the natural environment and study the neural mechanisms underlying the corresponding behaviors (e.g. phototaxis, chemotaxis, sensory learning and memory)1-3. With the recent availability of large collections of transgenic Drosophila lines that label specific neural subsets, behavioral assays have taken on a prominent role to link neurons with behaviors4-11. Versatile and reproducible paradigms, together with the underlying computational routines for data analysis, are indispensable for rapid tests of candidate fly lines with various genotypes. Particularly useful are setups that are flexible in the number of animals tested, duration of experiments and nature of presented stimuli. The assay of choice should also generate reproducible data that is easy to acquire and analyze. Here, we present a detailed description of a system and protocol for assaying behavioral responses of Drosophila flies in a large four-field arena. The setup is used here to assay responses of flies to a single olfactory stimulus; however, the same setup may be modified to test multiple olfactory, visual or optogenetic stimuli, or a combination of these. The olfactometer setup records the activity of fly populations responding to odors, and computational analytical methods are applied to quantify fly behaviors. The collected data are analyzed to get a quick read-out of an experimental run, which is essential for efficient data collection and the optimization of experimental conditions.

Olfactory Behaviors Assayed by Computer Tracking Of Drosophila in a Four-quadrant Olfactometer

We describe here a behavioral setup and data analysis method for assaying olfactory responses of up to 100 vinegar flies (Drosophila melanogaster). This system may be used with single or multiple olfactory stimuli, and adaptable for optogenetic activation or silencing of neuronal subsets.

Olfaktorischen Behaviors Assayed von Computer-Tracking<em&gt; Drosophila</em&gt; In einem Vier-Quadranten-Olfaktometer

A key challenge in neurobiology is to understand how neural circuits function to guide appropriate animal behaviors. Drosophila melanogaster is an ...

SwarmSight: Real-time Tracking of Insect Antenna Movements and Proboscis Extension Reflex Using a Common Preparation and Conventional Hardware

Many scientifically and agriculturally important insects use antennae to detect the presence of volatile chemical compounds and extend their proboscis during feeding. The ability to rapidly obtain high-resolution measurements of natural antenna and proboscis movements and assess how they change in response to chemical, developmental, and genetic manipulations can aid the understanding of insect behavior. By extending our previous work on assessing aggregate insect swarm or animal group movements from natural and laboratory videos using the video analysis software SwarmSight, we developed a novel, free, and open-source software module, SwarmSight Appendage Tracking (SwarmSight.org) for frame-by-frame tracking of insect antenna and proboscis positions from conventional web camera videos using conventional computers. The software processes frames about 120 times faster than humans, performs at better than human accuracy, and, using 30 frames per second (fps) videos, can capture antennal dynamics up to 15 Hz. The software was used to track the antennal response of honey bees to two odors and found significant mean antennal retractions away from the odor source about 1 s after odor presentation. We observed antenna position density heat map cluster formation and cluster and mean angle dependence on odor concentration.

This protocol describes steps for using the novel software, SwarmSight, for frame-by-frame tracking of insect antenna and proboscis positions from conventional web camera videos using conventional computers. The free, open-source software processes frames about 120 times faster than humans and performs at better than human accuracy.

SwarmSight: Echtzeit-Tracking von Insekten Antenne Bewegungen und Rüssel Erweiterung Reflex mit einem gemeinsamen Vorbereitung und konventioneller Hardware

Many scientifically and agriculturally important insects use antennae to detect the presence of volatile chemical compounds and extend their proboscis ...

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

Zusammenfassung

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