Robot controlado por insectos: una plataforma del robot móvil para evaluar la capacidad de seguimiento de Olor de un insecto

Resumen

La capacidad para localizar una fuente de olor es necesario para la supervivencia de insectos y se espera que sea aplicable a artificial olor de seguimiento. El robot insecto controlado es impulsado por un Silkmoth real y nos permite evaluar la capacidad de seguimiento de olor de los insectos a través de una plataforma robótica.

Resumen

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.

Introducción

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.

Protocolo

1. Experimental Animal

1. Prepare una caja de plástico para mantener las pupas de machos silkmoths (B. mori) hasta su eclosión. Toallas poner papel en la parte inferior y trozos de cartón alrededor de la pared interior de la caja (Figura 1A).
   Nota: Las piezas de cartón son necesarias para que las polillas adultas de espera mientras se extiende sus alas durante la eclosión (Figura 1A).
2. Silkmoth masculina puesto (Bombyx mor i) pupas en la caja y mantenerlos en una incubadora hasta la eclosión debajo de un 16-hr: 8 h luz: oscuridad ciclo a 25 ° C.
   NOTA: El macho y la hembra pupas pueden ser discriminados por las marcas del sexo en el abdomen (Figura 1B).
3. Recoger las polillas macho adultas después de la eclosión y moverlos a una nueva caja.
4. Mantenga las polillas adultas en una incubadora bajo una de 16 horas: 8 horas de luz: oscuridad ciclo y disminuir la temperatura a 15 ° C para reducir su actividad antes del experimento.

2. Tethering un Silkmoth

1. La fabricación de un accesorio para la inmovilización (Figura 2A)
   Nota: El accesorio consiste en un alambre de cobre con una tira de una lámina delgada de plástico en la punta. Esto asegura el movimiento dorsal-ventral del tórax durante la marcha (Figura 2B).
   1. Preparar una tira de una lámina delgada de plástico, 2 × 40 mm (grosor: 0,1 mm), y doblar por la mitad.
   2. Coloque la tira plegada a la punta de un alambre de cobre con un adhesivo.
   3. Doblar la punta de la tira plegada donde se une el tórax de un Silkmoth.
2. Utilice polillas adultas (2-8 días de edad) durante el período de luz para el experimento.
   Nota: La sensibilidad a la feromona depende en gran medida el reloj circadiano ^18. Debido B. mori es una polilla diurna, el experimento debe realizarse durante el período de luz.
3. Retire con cuidado todas las escalas en el dorSal tórax (mesonoto) con un trozo de tejido húmedo (o un hisopo de algodón) y exponer la cutícula del mesonoto (Figura 2C).
4. Pegar un adhesivo en la tira de plástico en la unión y en la superficie de la mesonoto expuesta con un destornillador pequeño de punta plana y esperar 5 a 10 min hasta que el adhesivo ya no es pegajoso.
   Nota: El adhesivo no debe tocar la bisagra ala o las tégulas ala anterior (Figura 2C).
5. Unir el mesonoto a la unión.
6. Mantenga la polilla atado antes de colocarlo dentro de la cabina del robot. Mantener el cabezal en un soporte y poner un pedazo de papel debajo de las piernas para descansar la polilla.

3. Robot controlado por insectos

1. Diseñar el hardware del robot insecto controlado basado en trabajos previos ^16,17,19.
   Nota: El robot insecto controlado consiste en una cinta de correr apoyado por el aire con un sensor óptico del ratón para Capture la locomoción de insectos, tableros a base de microcontroladores AVR a medida para el procesamiento y el control motor, y dos motores de corriente continua sin escobillas (Figuras 3 y 4). El robot puede ejecutar sobre la base de la rotación de la bola con una precisión del 96% o superior, dentro de un tiempo de retardo de 200 ms. También asegura la movilidad de máxima velocidad de avance (24,8 mm / seg) y la velocidad angular (96,3 ° / seg) de la Silkmoth durante feromonas comportamiento de seguimiento ^16. El flujo de aire de la máquina para correr (Figura 5A) y el sistema de entrega de olor (Figura 5B) están diseñados para la polilla de a bordo para caminar sin problemas en la bola y para adquirir un olor por dos antenas. El canal de admisión de aire y el flujo de la cinta de correr está separado de los del sistema de suministro de olor para evitar la contaminación de la feromona.
2. Diseñar el software para los microcontroladores integrados basados en trabajos previos ^16.
   Nota: El microcontrolador a bordo calcula tél movimientos del robot de la locomoción de insectos medida con un sensor óptico (rotacional, Δ X; traslacional, Δ y; Figura 6). La distancia de desplazamiento (Δ L) y ángulo de giro (Δθ) por unidad de tiempo del robot se calculan sobre la base de la distancia de desplazamiento de cada rueda (izquierda, Δ L _L; derecha, Δ L _R) como Δ L = (Δ L Δ L _R) / 2 _L + y Δθ = (Δ L _L - Δ L _R) / _rueda D, donde _{la rueda} D es la distancia entre las dos ruedas (120 mm). Δ L _L y Δ L _R se describen adicionalmente como Δ L _L = Δ L _{x, L} + Δ L _{Y, L} y Δ L _R = Δ L Δ L _{x, R} + _{y, R,} donde Δ L _{x, L <}/ sub> y Δ L _{x, R} son las distancias de desplazamiento de las ruedas en los lados izquierdo y derecho controladas por Δ Δ x, y L _{y L,} y Δ L _{y R} son los controlados por Δ y. Idealmente, Δ L _{x, L} y L Δ _{x, R} se describen como Δ L _{x, L} = L _{x -Δ, R} = G Δ x _(rueda D / _bola D), y Δ L _{Y, L} y L Δ _{y , R} se describen como Δ L _{y, L} = Δ L _{y, R} = G Δ y, donde G es la ganancia de motor y la _bola D es el diámetro de la bola (50 mm). En la práctica, la ganancia del motor se ajusta de forma independiente por cada lado (izquierdo o derecho de la rueda) y por cada dirección (rotación hacia adelante o hacia atrás) con el fin de calibrar el movimiento del robot. Las ganancias independientes permiten además laajuste de giro del motor asimétrica para generar un sesgo de giro del robot (véase el paso 6.1).
3. Lavar la superficie de una bola blanca de poliestireno expandido (masa: aproximadamente 2 g, diámetro: 50 mm) con agua para eliminar cualquier posible señales olfativas o visuales.
   Nota: La superficie de una nueva bola debe ser maltratado con papel de lija de grano fino, tales como P400, lo que asegura el agarre de las piernas sobre la pelota.
4. Encienda el ventilador que suministra aire a las 9 V a la cinta de correr y flota la bola (Figura 5A). Observe la bola del flotador aproximadamente 2 mm desde el fondo de la taza.
5. El uso de un tornillo, conecte el cable de cobre del archivo adjunto con la polilla (ver paso 2) a un fijo en la cabina del robot (ver Figura 3 recuadro). Asegúrese de que la posición de las patas del medio está en el centro de la bola (Figura 7A).
6. Ajustar la posición vertical de la unión para permitir la polilla de caminar normalmente en la btodas. Mantener la bola a la misma altura antes y después de colocar la polilla (Figura 7B).
   Nota: Una posición demasiado baja de los datos adjuntos añade presión sobre la polilla y provoca caminar hacia atrás para resistir la presión (Figura 7C), mientras que una posición demasiado alta provoca inestabilidad al caminar y fallos del sensor debido a cambios en la posición vertical de la pelota (Figura 7D). Para comprobar el comportamiento de marcha normal, un solo estímulo-inflado feromona se utiliza para desencadenar caminar en la polilla (para el estímulo de feromonas, consulte el paso 4). Tenga en cuenta que el estímulo de prueba debe ser mínima debido a la exposición previa a bombykol habitúa silkmoths y disminuye su sensibilidad (Matsuyama y Kanzaki, datos no publicados).

4. Preparación de olor Fuente

Nota: Hombre B. mori son sensibles a la componente principal de la feromona sexual femenina misma especie (bombykol: (E, Z) -10,12-hexadecadien-1-ol) 20. Cualquier contaminación del equipo experimental con bombykol provoca el comportamiento de seguimiento de olor y afecta a la capacidad de respuesta de la polilla.

1. Caída de 10 l de la solución bombykol disuelto en n-hexano (200 ng / l) en un trozo de papel de filtro (aproximadamente 10 mm x 10 mm). La cantidad de bombykol por pieza de papel de filtro es de 2.000 ng.
   Nota: Para comprobar el comportamiento de marcha normal de la polilla, preparar un cartucho de feromona de estímulo en este paso. El cartucho es un vidrio pipeta Pasteur con una pieza de papel de filtro que contiene 2.000 ng de bombykol. Empujar una bombilla sopla el aire que contiene bombykol.

Experimento 5. Olor Fuente Localización

1. Encender el ventilador de un túnel de viento-aire del tipo de tracción (1.800 × 900 × 300 mm, L x W x H; Figura 8) y ajustar la velocidad del viento a 0,7 m / seg. Asegúrese de que la temperatura sea superior a 20 ° C.
2. Ajuste la fuente de olor (el pIECE de papel de filtro que contiene bombykol) aguas arriba del túnel de viento.
   Nota: El ancho de columna se debe confirmar antes del experimento mediante el uso de _TiCl4 ^17,19.
3. Encienda la placa de desarrollo del robot y establecer una conexión en serie a un PC a través de Bluetooth.
4. Poner en marcha un programa Java a medida llamada "bioseñales", que proporciona una interfaz entre el PC y el robot.
   Nota: La ventana principal incluye botones para enviar comandos al robot, ventanas de texto para mostrar la entrada y la salida de la comunicación en serie, y las cajas pequeñas para configurar los parámetros. Los comandos posteriores se envían haciendo clic en los botones correspondientes en este programa, a excepción de la captura de vídeo.
5. Haga clic en el botón "Acerca del dispositivo" para confirmar la conexión mediante el envío de un comando al robot a través del puerto COM especificado y comprobar que un mensaje se devuelve por el robot.
6. Haga clic en el "memory botón Borrar "para borrar los datos de locomoción anteriores que quedan en la memoria flash interna.
7. Haga clic en el botón "drivemode1" para enviar las ganancias de motor por defecto al robot.
   Nota: Las manipulaciones de las ganancias de motor y el retardo de tiempo entre la locomoción de insectos y movimiento del robot se aplican después de este paso (consulte los pasos 6.1 y 6.3, figura 9).
8. Haga clic en el botón "no conduzca" para enviar un comando para inmovilizar el robot hasta que se inicie el experimento.
9. Poner el robot en una posición de partida (600 mm más allá de la fuente de olor) y encienda el interruptor de la tarjeta de control del motor.
10. Pulsar el botón de grabación de la videocámara para iniciar la captura de vídeo.
11. Haga clic en el botón de "inicio de la grabación" para enviar un comando de arranque para iniciar el robot con un registro simultáneo de la rotación de la bola en la memoria flash a bordo. Observe que el robot comienza a moverse y el seguimiento de la pluma de olor.
12. Clickea en el"STOP REC" y "no conduzca" botones para enviar comandos para detener tanto el movimiento del robot y la grabación si el robot se localiza la fuente de olor.
13. Pulsar el botón de grabación de la videocámara para detener la captura de vídeo.
14. Descargar registran los datos de locomoción de la memoria flash a bordo al ordenador a través de una conexión en serie. Cierra el programa.

6. La manipulación del robot controlado por insectos

Nota: El tiempo de cada manipulación se indica en la Figura 9.

1. La manipulación de las ganancias de motor
   Nota: Esta manipulación altera la velocidad de traslación y de rotación del robot. Ganancias de motor asimétricos generan un sesgo torneado, que se puede utilizar para investigar cómo los insectos compensar el sesgo ^17.
   1. Definir las ganancias de rotación de avance y giro hacia atrás del motor en cada lado ¹⁷ (Figura 6B) editando THarchivo de configuración de correo llamado "param2.txt" con un editor de texto.
   2. Haga clic en el "param2 set" para leer el archivo de configuración modificado en el programa de software. A continuación, haga clic en el "drivemode2" para enviar las ganancias manipulados para el robot.
2. La inversión de la salida del motor
   Nota: Esta manipulación proporciona una condición similar a la inversión de la entrada olfativa bilateral (véase el paso 6.4) y se puede utilizar para investigar la importancia de la olfacción bilateral. Sin embargo, la inversión de la salida del motor también se invierte el movimiento visual auto-inducido de una polilla a bordo. El impacto de la entrada visual autoinducida invertida puede evaluarse mediante una comparación con la entrada olfativa invertida ^19.
   1. Invertir el control motor bilateral mediante el cruce de los cables de control para cada motor.
3. La manipulación de la demora de tiempo entre la locomoción de insectos y movimiento del robot.
   Nota: Esta manipulaciónpermite la investigación del periodo aceptable de tiempo empleado en el procesamiento sensorial-motriz para la robótica olor de seguimiento. El microcontrolador almacena los datos de locomoción en una memoria intermedia y procesarlos después del retardo de tiempo especificado. Tenga en cuenta que el robot tiene un retardo de tiempo interna máxima de 200 mseg; Por lo tanto, se espera que el retardo de tiempo real para ser el retardo de tiempo especificado más 200 mseg ^16,17.
   1. Introducir un número (0-10) en una pequeña caja de la ventana principal para especificar un tiempo de retardo desde 0-1.000 ms en pasos de 100 ms.
   2. Haga clic en el botón "set retardo" para aplicar el retardo de tiempo.
4. La manipulación de la entrada olfativa.
   Nota: Esta manipulación se puede utilizar para investigar el significado de la entrada olfativa bilateral. La dirección oleada de silkmoths está sesgada en el lado de mayor concentración ^22.
   1. Cambiar la distancia entre la punta del tubo de succión o invertir sus posiciones para alterar eldiferencia en la concentración de olor adquirida por cada antena.
5. La manipulación de la información visual
   Nota: Esta manipulación es investigar el papel de la información visual para el olor de seguimiento.
   1. Cubra la cubierta con un papel blanco que ocluye 105 ° y 90 ° del campo visual horizontal y vertical de la polilla de a bordo, respectivamente.

Resultados

Presentamos aquí las características básicas del robot insecto controlado requerida para la localización exitosa de una fuente de olor. La comparación entre el robot y silkmoths, la eficacia del sistema de suministro de olor, y la importancia de olfativo bilateral exacto y entradas visuales son examinados.

La comparación de los comportamientos de olor de seguimiento entre polillas libremente a pie y el robot de insectos ...

Discusión

Los puntos más importantes para el éxito en el control del robot por un Silkmoth están dejando que la polilla caminar sin problemas en el balón hinchable y la medición de la rotación de la bola de forma estable. Por lo tanto, la inmovilización del Silkmoth y montarlo en la pelota en la posición adecuada son los pasos críticos en este protocolo. adherencia inadecuada de la polilla de la unión o de posicionamiento inadecuado de la polilla en la bola hará que la presión no natural en él, lo que perturba su com...

Materiales

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.