חרקים שבשליטת רובוט: פלטפורמת רובוט נייד על מנת להעריך את יכולת ריח המעקב של חרק

Summary

היכולת למקם מקור ריח היא הכרחית להישרדות חרק והוא צפויה לחול על מעקב ריח מלאכותי. הרובוט שבשליטת החרקים מונע על ידי silkmoth בפועל ומאפשר לנו להעריך את יכולת מעקב הריח של חרקים באמצעות פלטפורמה רובוטית.

Abstract

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

Introduction

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

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

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

Protocol

1. בעלי חיים הניסיונות

1. הכן קופסת פלסטיק כדי לשמור על גלמים של silkmoths זכר (B. מורי) עד eclosion שלהם. מגבות נייר שמים בתחתית ופיסות קרטון סביב הקיר הפנימי של (איור 1 א) התיבה.
   הערה: פיסות הקרטון נחוצות העש המבוגר להחזיק תוך הארכת כנפיהם במהלך eclosion (איור 1 א).
2. גלמים שים silkmoth הזכר (Bombyx מור i) בתיבה ולשמור אותם באינקובטור עד eclosion תחת 16-hr: אור 8-hr: חושך מחזור של 25 מעלות צלזיוס.
   הערה: הזכר וגלמים הנקבה יכולה להיות מופלים על ידי סימונים סקס על הבטן (איור 1 ב).
3. אסוף עש זכר בוגר לאחר eclosion ולהעביר אותם לתוך קופסה חדשה.
4. שמור על עש למבוגרים באינקובטור תחת 16-hr: אור 8-hr: חושך מחזור ולהפחית את הטמפרטורה ל 15 מעלות צלזיוס כדי להפחית את פעילותם לפני הניסוי.

2. היא קושרת Silkmoth

1. המצאה של קובץ מצורף עבור קשירה (איור 2 א)
   הערה: הקובץ המצורף מורכב חוטי נחושת עם פס של יריעת פלסטיק דקה בקצהו. זה מבטיח את התנועה-גחון הגבי של החזה בזמן הליכה (תרשים 2B).
   1. כן רצועת יריעת פלסטיק דקה, 2 × מ"מ 40 (עובי: 0.1 מ"מ), ולקפל אותו באמצע.
   2. צרף רצועת המקופל אל קצה חוט נחושת עם דבק.
   3. לכופף את קצה הרצועה והמקופלת במקומות שבם החזה של silkmoth מצורף.
2. השתמש עש מבוגר (2-8 ימים) במהלך תקופת האור לצורך הניסוי.
   הערה: רגישות פרומון מאוד תלויה שעון היממה ^18. בגלל B. מורי הוא עש יומי, חייבת להתבצע הניסוי בתקופת האור.
3. בעדינות להסיר את כל הכף על הדורסאל חזה (mesonotum) באמצעות פיסת רקמה רטובה (או צמר גפן) ולחשוף את לציפורן של mesonotum (איור 2 ג).
4. דבק דבק על רצועת הפלסטיק על ההתקשרות על פני השטח של mesonotum החשוף עם מברג שטוח קטן ולהמתין 5-10 דקות עד הדבק הוא כבר לא דביק.
   הערה: ההדבקה חייבת תיגע ציר הזרוע או tegulae forewing (איור 2 ג).
5. איגרות החוב mesonotum לקובץ המצורף.
6. שמור על העש הקשור לפני הצבתו בתוך תא הטייס של הרובוט. החזק את הקובץ המצורף על סטנד ולשים פיסת נייר תחת הרגליים לנוח לפרפר.

רובוט 3. חרקים שבשליטה

1. עיצוב החומרה של הרובוט שבשליטת חרקים המבוססים על יצירות קודמות ^16,17,19.
   הערה: רובוט החרקים שבשליטת מורכב הליכון אוויר נתמך עם חיישן עכבר אופטי כדי captur.ה תנועה חרקים, שהותקן מבוססי AVR לוחות מיקרו לעיבוד ושליטה מוטורית, ושני מנועים ללא מברשות DC (איורים 3 ו -4). הרובוט יכול לרוץ על בסיס רוטציה הכדור עם 96% דיוק ומעלה, תוך השהיית זמן של 200 אלפיות השניה. הוא גם מבטיח את הניידות של מהירות מרבית קדימה (24.8 מ"מ / sec) ואת המהירות הזוויתית (96.3 ° / sec) של silkmoth במהלך התנהגות מעקב פרומון ^16. זרימת האוויר של ההליכון (איור 5 א) ו מערכת מסירת הריח (איור 5) נועד לפרפר המשולב ללכת בצורה חלקה על הכדור לרכוש ריח ידי שתי אנטנות. הערוץ הצריך וזרימת אוויר של ההליכון מופרד מאלה של מערכת מסירת הריח כדי למנוע זיהום של פרומון.
2. עיצוב התוכנה עבור מיקרו-בקרים המשולב מבוסס על עבודות קודמות ^16.
   הערה: מיקרו המשולב מחשבת tהוא תנועות רובוט מן תנועת החרקים נמדדה עם חיישן אופטי (סיבוב, Δ x; translational, Δ y; איור 6). מרחק הנסיעות (Δ L) ולהפוך זווית (Δθ) ליחידה זמן של הרובוט מחושב על בסיס מרחק נסיעה של כל גלגל (משמאל, Δ L _L; תקין, Δ L _R) כגון Δ L = (Δ L _L + Δ L _R) / 2 ו Δθ = (Δ L _L - Δ L _R) / _גלגל D, שבו _הגלגל D הוא המרחק בין שני גלגלים (120 מ"מ). _L Δ L ו- Δ L _R מתוארים נוספת כמו Δ L _L = Δ L _{x, L} + Δ L _{y, L} ו- Δ L _R = Δ L _{x, R} + Δ L _{y, R,} שם Δ L _{x, L <}תת /> ו- Δ L _{x, R} הם מרחקי הנסיעה של הגלגלים על הצדדים על ימין ועל שמאל בשליטת x Δ, ו Δ L _{y, L} ו- Δ L _{y, R} הם אלה הנמצאים בשליטת y Δ. באופן אידיאלי, Δ L _{x, L} ו- Δ L _{x, R} מתוארים _x Δ _{L, L} = -Δ _{x L, R} = G Δ x _(גלגל D / _כדור D), ו Δ L _{y, L} ו- Δ L _{y , R} מתוארים Δ L _{y, L} = Δ L _{y, R} = G Δ y, כאשר G הוא רווח המנוע D _הכדור הוא בקוטר של הכדור (50 מ"מ). בפועל, רווח המנוע מוגדר באופן עצמאי על ידי כל צד (גלגל שמאל או ימין) ועל ידי לכל כיוון (קדימה או סיבוב לאחור) כדי לכייל את תנועת הרובוט. העליות העצמאיות נוספות לאפשר אתהגדרה של סיבוב מנוע סימטרי כדי ליצור הטית סיבוב של הרובוט (ראה שלב 6.1).
3. שטפו את פני השטח של כדור קצף פוליסטירן לבן (מסה: כ -2 גרם; קוטר: 50 מ"מ) עם מים כדי להסיר כל רמזים חוש הריח או חזותי אפשרי.
   הערה: המשטח של כדור חדש צריך להיות הוכה עם נייר זכוכית עדין-חצץ, כגון P400, אשר מבטיחה את האחיזה של הרגליים על הכדור.
4. הפעל את מאוורר המפוח המספק אוויר ב -9 V כדי ההליכון ומנפח את הכדור (איור 5 א). שים את הכדור לצוף כ 2 מ"מ מהחלק התחתון של הגביע.
5. באמצעות בורג, חבר את חוטי נחושת של הקובץ המצורף עם הפרפר (ראה שלב 2) על אביזר בתא הטייס של הרובוט (ראה הבלעה איור 3). ודא כי המיקום של הרגליים באמצע הוא במרכז של (איור 7 א) הכדור.
6. התאם את המיקום האנכי של הקובץ המצורף על מנת לאפשר העש ללכת בדרך כלל על bאת כל. להשאיר את הכדור באותו גובה לפני ואחרי הצמדת עש (איור 7).
   הערה: עמדה נמוכה מדי של הקובץ המצורף מוסיפה לחץ על העש מעורר הליכה לאחור כדי להתנגד ללחץ (איור 7C), ואילו עמדה גבוהה מדי גורמת הליכה יציבה וכישלונות של החיישן כתוצאה משינויים במצב האנכי של את הכדור (איור 7D). כדי לבדוק התנהגות הליכה רגילה, גירוי פרומון חד נפח משמש להפעלת הליכת העש (עבור גירוי פרומון, ראה שלב 4). ראוי לציין, כי גירוי הבדיקה צריכה להיות מינימלית כי חשיפה קודמת bombykol מתרגל silkmoths וירידה ברגישות שלהם (Matsuyama ו קאנזאקי, נתונים שלא פורסמו).

4. הכנת מקור ריח

הערה: זכר B. המורים רגישים המרכיב העיקרי של פרומון המין הנשי conspecific (bombykol: (E, Z) -10,12-hexadecadien-1-ol) 20. כל זיהום של ציוד הניסיון עם bombykol מעורר התנהגות מעקב הריח ומשפיע על יכולת התגובה של העש.

1. ירידה של כ -10 μl של פתרון bombykol מומס n-הקסאן (200 ng / μl) על פיסת נייר סינון (כ 10 מ"מ × 10 מ"מ). כמות bombykol לכל פיסת נייר סינון הוא 2,000 ng.
   הערה: כדי לבדוק את התנהגות ההליכה הרגילה של העש, להכין מחסנית גירוי פרומון בשלב זה. המחסנית היא פיפטה פסטר זכוכית עם חתיכה אחת של נייר סינון המכילה 2,000 ng של bombykol. Pushing נורה מנפחת bombykol המכיל אוויר.

5. ניסוי לוקליזציה מקור הריח

1. הפעל את המאוורר של מנהרת רוח משיכת-אוויר מסוג (1,800 × 900 × 300 מ"מ, L × W × H; איור 8) ולהגדיר את מהירות הרוח 0.7 מ '/ שנייה. ודא כי הטמפרטורה היא יותר מ -20 מעלות צלזיוס.
2. הגדר את מקור הריח (להלן: piece של נייר סינון המכיל bombykol) במעלה הזרם של מנהרת רוח.
   ההערה: רוחב הפלומה חייב להיות מאושר לפני הניסוי באמצעות TiCl ₄ ^17,19.
3. הפעל את לוח מיקרו של הרובוט וליצור חיבור טורי למחשב באמצעות Bluetooth.
4. השקת תוכנית Java מחוייט שנקרא "BioSignal," אשר מספק ממשק בין המחשב לבין הרובוט.
   הערה: החלון הראשי כולל לחצני שליחת פקודות לרובוט, חלונות טקסט להצגת הקלט והפלט של התקשורת טורית, ותיבות קטנות להגדיר פרמטרים. הפקודות הבאות נשלחות על ידי לחיצה על לחצנים מתאימים בתכנית זו, למעט לכיד וידאו.
5. הקש על "על מכשיר" כדי לאשר את הקשר על ידי שליחת פקודה לרובוט דרך יציאת COM שצוין ולבדוק כי הודעה מוחזרת על ידי הרובוט.
6. לחץ על "המזכרר"י למחוק "כדי למחוק את נתוני תנועה קודמים עזבו על זיכרון הבזק המשולב.
7. לחץ על כפתור "drivemode1" לשלוח את רווחי מנוע ברירת המחדל אל הרובוט.
   הערה: המניפולציות של רווחי מנוע השהיית הזמן בין תנועת חרקים ותנועת רובוט מוחלות לאחר שלב זה (ראה צעדים 6.1 ו -6.3, איור 9).
8. הקש על "לא נוהג" על מנת לשלוח פקודה כדי לשתק את הרובוט עד הניסוי מתחיל.
9. שים את הרובוט במיקום התחלה (600 מ"מ במורד זרם ממקור הריח) ולהדליק את המתג של לוח נהג מנוע.
10. לחץ על כפתור ההקלטה של ​​מצלמת הווידאו להתחיל לכידת וידאו.
11. לחץ על כפתור "התחל rec" כדי לשלוח פקודה מתחילתו ועד ליזום את הרובוט עם הקלטה בו זמנית של סיבוב הכדור על זיכרון הבזק המשולב. שים לב כי הרובוט מתחיל לנוע ועוקב פלומת הריח.
12. הקלק על ה"עצור הקלטה" ו "לא נוהגים" כפתורים כדי לשלוח פקודות לעצור הן את תנועת הרובוט ואת ההקלטה אם הרובוט מבצע לוקליזציה מקור הריח.
13. לחץ על כפתור ההקלטה של ​​המצלמת להפסיק לכידת וידאו.
14. הורד רשם נתוני תנועה מזיכרון פלאש המשולב למחשב באמצעות חיבור טורים. סגור את התוכנית.

מניפולציה 6. של רובוט שבשליטת חרקים

הערה: התזמון של כל מניפולציה מופיע באיור 9.

1. מניפולציה של רווח מנוע
   הערה: מניפולציה זו משנה את מהירות translational ואת הסיבוב של הרובוט. רווחי מנוע סימטרי ליצור הטיה מחרטות, אשר ניתן להשתמש בהם כדי לחקור כיצד חרקים לפצות על הטיה ^17.
   1. הגדר את רווחי רוטציה לאלקטרו קדימה וסיבוב לאחור של המנוע בכל צד ¹⁷ (6 ב איור) על ידי ה עריכתקובץ תצורת הדואר בשם "param2.txt" בעזרת עורך טקסט.
   2. הקישו על "param2 להגדיר" לקרוא את קובץ ההגדרות נערך בתוכנה. לאחר מכן, לחץ על "drivemode2" לשלוח את רווחי מניפולציות אל הרובוט.
2. היפוך של הפלט תנועתי
   הערה: מניפולציה זו מספקת למצב דומה ההיפוך של קלט ריח הבילטרליים (ראה שלב 6.4) והוא יכול לשמש כדי לחקור את המשמעות של חוש ריח בין שתי מדינות. עם זאת, ההיפוך של פלט מנוע גם גורם להיפוך תנועה חזותית גרימה עצמית של עש משולב. השפעת הקלט החזותי העצמי מושרה ההפוך יכולה להיות מוערכת על ידי השוואה עם קלט הריח ההפוך ^19.
   1. הפוך את השליטה המוטורית הדו-הצדדית על ידי חציית הכבלים המלאים לכל מנוע.
3. מניפולציה של השהיית הזמן בין תנועת חרקים ותנועת רובוט.
   הערה: מניפולציה זומאפשר לחקירת תקופת מקובל הזמן המושקע על עיבוד חושי-מוטורי עבור ריח מעקב רובוטית. מייקרו מאחסן את נתוני תנועה על מאגר זיכרון ואז מעבד אותם לאחר עיכוב הזמן המוגדר. שים לב יש הרובוט עיכוב זמן מרבי פנימי של 200 msec; ולכן, השהיית הזמן בפועל צפויה להיות עיכוב זמן המוגדר בתוספת 200 ^16,17 msec.
   1. קלט מספר (0-10) בתוך קופסא קטנה של החלון הראשי כדי לציין שהייה מ 0-1,000 msec ב צעדי 100 msec.
   2. לחץ על כפתור "עיכוב להגדיר" כדי להחיל את זמן ההשהיה.
4. מניפולציה של קלט הריח.
   הערה: מניפולציה זו יכולה לשמש כדי לחקור את המשמעות של קלט ריח בין שתי מדינות. כיוון הנחשול של silkmoths מוטה בצד-הריכוז הגבוה ^22.
   1. שנה את הפער בין קצות צינור יניקה או להפוך את עמדותיהם כדי לשנות אתהבדל בריכוז ריח נרכש על ידי כל אנטנה.
5. מניפולציה של קלט חזותי
   הערה: מניפולציה זו היא לחקור את התפקיד של קלט חזותי עבור מעקב ריח.
   1. מכסה את החופה עם נייר לבן חוסם 105 ° ו -90 ° של שדה הראייה האופקי והאנכי של העש המשולב, בהתאמה.

תוצאות

אנו מציגים כאן את המאפיינים הבסיסיים של הרובוט שבשליטת החרקים הנדרש הלוקליזציה המוצלחת של מקור ריח. ההשוואה בין הרובוט לבין silkmoths, את האפקטיביות של מערכת מסירת הריח, ואת המשמעות של חוש ריח הבילטרליים מדויק קלט ויזואלי נבחנת.

Discussion

הנקודות החשובות ביותר עבור השליטה המוצלחת של הרובוט על ידי silkmoth נותנות העש ללכת בצורה חלקה על הכדור נתמך-האוויר ואת ביציבות מדידת סיבוב הכדור. לכן, קושרים את silkmoth ו לתלות אותו על הכדור במיקום המתאים הם השלבים הקריטיים בפרוטוקול זה. הדבקה לא ראויה של העש לקובץ המצורף א...

Materials

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