Robot Insecte contrôlée: Une plate-forme de robot mobile pour évaluer la capacité Odor-suivi d'un insecte

Résumé

La capacité de localiser une source d'odeur est nécessaire pour la survie des insectes et devrait être applicable aux odeurs de suivi artificiel. Le robot d'insecte contrôlé est entraîné par un silkmoth réel et permet d'évaluer la capacité d'insectes odorante suivi par une plate-forme robotisée.

Résumé

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.

Protocole

1. Experimental animale

1. Préparer une boîte en plastique pour garder les pupes de silkmoths mâles (B. mori) jusqu'à leur éclosion. Serviettes Mettre en papier au fond et des morceaux de carton autour de la paroi intérieure de la boîte (figure 1A).
   Remarque: Les morceaux de carton sont nécessaires pour les papillons adultes de tenir tout en étendant leurs ailes pendant eclosion (figure 1A).
2. Silkmoth mâle Put (Bombyx mor i) pupes dans la boîte et les garder dans un incubateur jusqu'à ce eclosion sous 16 h: la lumière de 8 heures: cycle d' obscurité à 25 ° C.
   NOTE: Le mâle et la femelle pupes peuvent être discriminées par les marques de sexe sur l'abdomen (figure 1B).
3. Recueillir les papillons mâles adultes après l'éclosion et les déplacer dans une nouvelle boîte.
4. Gardez les papillons adultes dans un incubateur sous 16 h: la lumière de 8 heures: cycle d'obscurité et de diminuer la température à 15 ° C pour réduire leur activité avant l'expérience.

2. tethering un Silkmoth

1. Fabrication d'une fixation pour attacher (figure 2A)
   Remarque: La pièce jointe est constituée d'un fil de cuivre avec une bande d'une feuille de plastique mince à son extrémité. Cela garantit que le mouvement dorso-ventrale du thorax pendant la marche (figure 2B).
   1. Préparer une bande d'une feuille plastique mince, 2 × 40 mm (épaisseur: 0,1 mm), et le plier dans le milieu.
   2. Fixer la bande pliée à la pointe d'un fil de cuivre avec un adhésif.
   3. Pliez la pointe de la bande pliée où le thorax d'un silkmoth est attaché.
2. Utilisez les papillons adultes (âgés de 2-8 jours) au cours de la période de lumière pour l'expérience.
   Remarque: La sensibilité à la phéromone dépend fortement de l'horloge circadienne ^18. Parce que B. mori est un papillon diurne, l'expérience doit être effectuée au cours de la période de lumière.
3. Retirez délicatement toutes les échelles sur le dorsal thorax (mesonotum) à l' aide d' un morceau de tissu humide (ou un coton - tige) et exposer la cuticule du mesonotum (figure 2C).
4. Coller un adhésif sur la bande de plastique sur la pièce jointe et sur la surface de la mesonotum exposée avec un petit tournevis à lame plate et attendre 5-10 min jusqu'à ce que la colle ne colle plus.
   Remarque: L'adhésif ne doit pas toucher la charnière de l' aile ou la tegulae de forewing (figure 2C).
5. Bond mesonotum à la pièce jointe.
6. Gardez le papillon attaché avant de le placer à l'intérieur du poste de pilotage du robot. Tenir la pièce jointe sur un stand et mettre un morceau de papier sous les jambes pour se reposer la teigne.

3. Robot Insecte contrôlé

1. La conception du matériel du robot d'insecte commandé en se basant sur des travaux précédents ^16,17,19.
   Remarque: Le robot d'insecte contrôlé est constitué d'un tapis roulant d'air supporté par un capteur de souris optique à capture la locomotion des insectes, à base AVR-cartes microcontrôleur intégré personnalisées pour le traitement et le contrôle moteur, et deux moteurs sans balais à courant continu (figures 3 et 4). Le robot peut fonctionner sur la base de la rotation de la balle avec une précision de 96% ou plus, dans un délai de 200 ms. Elle assure également la mobilité de la vitesse maximale avant (24,8 mm / s) et la vitesse angulaire (96,3 ° / sec) de la silkmoth pendant phéromone comportement de suivi ^16. L'écoulement d' air du tapis roulant (figure 5A) et un système de distribution d'odeur (figure 5B) sont conçus pour le papillon à bord de marche sans à- coup sur la balle et d'acquérir une odeur par deux antennes. La chaîne du tapis de course d'admission d'air et le flux est séparé de ceux du système de distribution d'odeur pour éviter toute contamination de la phéromone.
2. Concevoir le logiciel pour les microcontrôleurs embarqués basés sur des travaux antérieurs ^16.
   Remarque: Le microcontrôleur embarqué calcule til mouvements du robot de la locomotion des insectes mesurée avec un capteur optique (rotation, Δ x; traductionnelle, Δ y, figure 6). La distance de Voyage (Δ L) et de l' angle (Δθ) par unité de temps du robot tourner sont calculés sur la base de la distance de Voyage de chaque roue (gauche, Δ L _L; à droite, Δ L _R) telle que Δ L = (Δ l _l + Δ l _R) / 2 et Δθ = (Δ l _l - Δ l _R) / _roue D, où la _roue de D est la distance entre les deux roues (120 mm). Δ L _L et Δ L _R sont décrits comme Δ L _L = Δ L _{x, L} + Δ L _{y, L} et Δ L _R = Δ L _{x, R} + Δ L _{y, R,} où Δ L _{x, L <}/ sub> et Δ L _{x, R} sont les distances de déplacement des roues sur les côtés gauche et droit à commande par Δ x, Δ et L _{y, L} et L Δ _{Y, R} sont ceux contrôlés par Δ y. Idéalement, Δ L _{x, L} et Δ L _{x, R} sont décrits comme Δ L _{x, L} = -Δ L _{x, R} = G Δ x _(roue D / _bille D) et Δ L _{y, L} et Δ L _{y R} sont décrits comme Δ l _{y, l} = Δ l _{y, R} = G Δ y, où G est le gain du moteur et la _bille D est le diamètre de la bille (50 mm). Dans la pratique, le gain du moteur est réglé de façon indépendante par chaque côté (à gauche ou à droite roue) et par chaque direction (vers l'avant ou vers l'arrière rotation) de façon à calibrer le mouvement du robot. Les gains indépendants permettent en outre laréglage de rotation du moteur asymétrique pour générer une polarisation de rotation du robot (voir étape 6.1).
3. Laver la surface d'une boule blanche expansée de polystyrène (masse: environ 2 g, diamètre: 50 mm) avec de l'eau pour éliminer tous les signaux olfactifs ou visuels possibles.
   Remarque: La surface d'une nouvelle balle doit être malmené avec grain fin papier de verre, tels que P400, qui assure la prise en main des jambes sur le ballon.
4. Allumez le ventilateur qui fournit l' air à 9 V sur le tapis roulant et flotte le ballon (figure 5A). Observez le ballon flotter environ 2 mm du fond de la tasse.
5. Utiliser une vis, fixez le fil de cuivre de la pièce jointe avec le papillon (voir étape 2) à un appareil dans le poste de pilotage du robot (voir Figure 3 encadré). Assurez - vous que la position des pattes médianes est au centre de la balle (Figure 7A).
6. Ajustez la position verticale de la fixation pour permettre la teigne de marcher normalement sur le btout. Garder la balle à la même hauteur avant et après la fixation de la teigne (figure 7B).
   Remarque: Une position trop basse de la pièce jointe ajoute une pression sur la teigne et provoque la marche arrière pour résister à la pression (Figure 7C), alors une position trop élevée provoque la marche et les défaillances du capteur instable en raison de changements dans la position verticale de la balle (Figure 7D). Pour vérifier le comportement de la marche normale, une seule soufflée stimulus phéromone est utilisé pour déclencher la marche dans la teigne (pour la relance de la phéromone, voir étape 4). Notez que le stimulus de test doit être minime, car une exposition antérieure à bombykol accoutume silkmoths et diminue leur sensibilité (Matsuyama et Kanzaki, données non publiées).

4. Odeur Préparation Source

Note: Homme B. mori sont sensibles à la composante majeure de la phéromone sexuelle femelle conspécifique (bombykol: (E, Z) -10,12-hexadecadien-1-ol) ^{20. Toute contamination de l'équipement expérimental avec bombykol suscite le comportement des odeurs de suivi et affecte la réactivité de la teigne.}

1. Déposer 10 ul de la solution de bombykol dissous dans du n-hexane (200 ng / ul) sur un morceau de papier filtre (environ 10 mm x 10 mm). La quantité de bombykol par morceau de papier filtre est de 2000 ng.
   Remarque: Pour vérifier le comportement de la marche normale de la teigne, préparer une cartouche phéromone de relance dans cette étape. La cartouche est un verre pipette Pasteur avec un morceau de papier filtre contenant 2000 ng de bombykol. Pousser une ampoule gonfle le bombykol d'air contenant.

5. Odeur Source Localisation Experiment

1. Allumez le ventilateur d'un tunnel de vent de type air de traction (1800 × 900 × 300 mm, L × l × H; Figure 8) et régler la vitesse du vent à 0,7 m / sec. Assurez-vous que la température est supérieure à 20 ° C.
2. Réglez la source de l'odeur (pIECE de papier filtre contenant bombykol) en amont de la soufflerie.
   Remarque: La largeur du panache devrait être confirmée avant l'expérience en utilisant TiCl ₄ ^17,19.
3. Tournez sur la carte microcontrôleur du robot et établir une connexion série à un PC via Bluetooth.
4. Lancer un programme Java sur mesure appelé "BioSignal," qui fournit une interface entre le PC et le robot.
   Remarque: La fenêtre principale comprend des boutons pour envoyer des commandes au robot, les fenêtres de texte pour afficher l'entrée et la sortie de la communication série, et de petites boîtes pour configurer les paramètres. Les commandes suivantes sont envoyées en cliquant sur les boutons correspondant à ce programme, sauf pour la capture vidéo.
5. Cliquez sur le bouton "à propos de l'appareil" pour confirmer la connexion en envoyant une commande au robot via le port COM spécifié et vérifier qu'un message est renvoyé par le robot.
6. Cliquez sur le "mémobouton ry effacer "pour effacer les données de locomotion précédents laissés sur la mémoire flash embarquée.
7. Cliquez sur le bouton "drivemode1" pour envoyer les gains à moteur par défaut au robot.
   Remarque: Les manipulations des gains du moteur et le délai entre la locomotion des insectes et le mouvement du robot sont appliqués après cette étape (voir étapes 6.1 et 6.3, Figure 9).
8. Cliquez sur le bouton "ne conduisez pas" pour envoyer une commande pour immobiliser le robot jusqu'à ce que l'expérience commence.
9. Mettez le robot à une position de départ (600 mm en aval de la source de l'odeur) et allumez l'interrupteur du panneau de commande de moteur.
10. Appuyez sur le bouton d'enregistrement du caméscope pour commencer la capture vidéo.
11. Cliquez sur le bouton "start rec" pour envoyer une commande de démarrage pour lancer le robot avec un enregistrement simultané de la rotation de la balle sur la mémoire flash embarquée. Notez que le robot commence à se déplacer et suit le panache d'odeur.
12. Clique sur le"Arrêt rec" et "ne pas conduire" boutons pour envoyer des commandes pour arrêter la fois le mouvement du robot et l'enregistrement si le robot localise la source de l'odeur.
13. Appuyez sur le bouton d'enregistrement du caméscope pour arrêter la capture vidéo.
14. Télécharger les données enregistrées de locomotion de la mémoire flash embarquée à l'ordinateur via une connexion série. Fermer le programme.

6. Manipulation du Robot Insecte contrôlée

Remarque: Le timing de chaque manipulation est indiquée sur la figure 9.

1. Manipulation des gains à moteur
   Remarque: Cette manipulation modifie la vitesse de translation et de rotation du robot. Gains à moteur asymétriques génèrent un biais tournant, qui peut être utilisé pour étudier comment les insectes compensent le biais ^17.
   1. Définir les gains de rotation pour rotation avant et arrière du moteur de chaque côté ¹⁷ (figure 6B) en éditant efichier de configuration e nommé "param2.txt" en utilisant un éditeur de texte.
   2. Cliquez sur le "param2 set" pour lire le fichier de configuration éditée dans le logiciel. Ensuite, cliquez sur le "drivemode2" pour envoyer les gains manipulés au robot.
2. L'inversion de la sortie du moteur
   Remarque: Cette manipulation fournit une condition semblable à l'inversion de l' entrée olfactive bilatérale (voir étape 6.4) et peut être utilisée pour étudier l'importance de l' olfaction bilatérale. Cependant, l'inversion de la sortie du moteur intervertit aussi mouvement visuel auto-induite d'un papillon de nuit à bord. L'impact visuel de l'entrée auto-induite inversée peut être évaluée par une comparaison avec l'entrée inversée ¹⁹ olfactive.
   1. Inverser la commande du moteur bilatéral en croisant les câbles de commande pour chaque moteur.
3. La manipulation du temps de retard entre la locomotion des insectes et des mouvements du robot.
   Remarque: Cette manipulationpermet d'enquêter sur la période de temps acceptable consacré au traitement sensori-moteur pour l'odeur de suivi robotique. Le microcontrôleur stocke les données de locomotion sur une mémoire tampon puis traite après le délai spécifié. Notez que le robot a un délai maximal interne de temps de 200 ms; Par conséquent, le retard de temps réel devrait être le délai spécifié , plus 200 ms ^16,17.
   1. Entrez un numéro (0-10) dans une petite boîte de la fenêtre principale pour spécifier un délai de 0-1000 msec à des étapes de 100 msec.
   2. Cliquez sur le bouton "délai fixé" pour appliquer le délai.
4. La manipulation de l'entrée olfactive.
   Remarque: Cette manipulation peut être utilisée pour étudier l'importance de l' entrée olfactive bilatérale. La direction de poussée de silkmoths est sollicité sur le côté supérieur concentration ^22.
   1. Changer l'écart entre les extrémités du tube d'aspiration ou inverser leurs positions pour modifier ladifférence de concentration d'odeur acquise par chaque antenne.
5. Manipulation de l'entrée visuelle
   Remarque: Cette manipulation est d'étudier le rôle de l' entrée visuelle pour l' odeur de suivi.
   1. Couvrir le couvert avec un papier blanc qui obture 105 ° et 90 ° du champ visuel horizontal et vertical de la teigne à bord, respectivement.

Résultats

Nous présentons ici les caractéristiques de base du robot commandé par les insectes nécessaires à la localisation réussie d'une source de l'odeur. La comparaison entre le robot et silkmoths, l'efficacité du système de distribution d'odeur, et l'importance de olfactive bilatérale précise et les entrées visuelles sont examinés.

La comparaison des comportements odeur de suivi entre les mites librem...

Discussion

Les points les plus importants pour le contrôle réussie du robot par un silkmoth laissent la teigne marcher en douceur sur la boule d'air pris en charge et la mesure de manière stable la rotation de la balle. Par conséquent, attacher le silkmoth et le monter sur le ballon à la position appropriée sont les étapes critiques dans ce protocole. adhérence inappropriée de la teigne à la fixation ou mauvais positionnement de la teigne sur la balle va provoquer une pression contre nature sur elle, ce qui perturbe ...

matériels

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.