Robot Insect-controllato: una piattaforma mobile Robot per valutare la capacità odore-tracking di un insetto

Riepilogo

La capacità di localizzare una fonte di odore è necessario per la sopravvivenza degli insetti e dovrebbe essere applicabile a artificiale odore-tracking. Il robot insetto controllato è azionato da un silkmoth reale e permette di valutare la capacità di odore-tracking di insetti attraverso una piattaforma robotica.

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.

Introduzione

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.

Protocollo

1. sperimentali animali

1. Preparare una scatola di plastica per mantenere le pupe di silkmoths maschi (B. mori) fino alla loro eclosion. Asciugamani mettere la carta in basso e pezzi di cartone intorno alla parete interna della scatola (Figura 1A).
   Nota: I pezzi di cartone sono necessarie per le falene adulte per tenere mentre si estende le ali durante eclosion (Figura 1A).
2. Mettere silkmoth maschio (Bombyx mor i) pupe nella casella e tenerli in un incubatore fino eclosion sotto di 16 ore: la luce di 8 ore: ciclo di buio a 25 ° C.
   NOTA: Il maschio e la femmina pupe possono essere discriminati dalle marcature sesso sull'addome (Figura 1B).
3. Raccogliere falene maschi adulti dopo eclosion e spostarli in una nuova scatola.
4. Tenere le falene adulte in un incubatore con un 16-hr: luce di 8 ore: ciclo scuro e diminuire la temperatura a 15 ° C per ridurre la loro attività prima dell'esperimento.

2. Tethering un Silkmoth

1. Realizzazione di un attacco per tethering (Figura 2A)
   Nota: Il fissaggio è costituito da un filo di rame con una striscia di un sottile foglio di plastica in punta. Ciò garantisce il movimento dorso-ventrale del torace durante la deambulazione (Figura 2B).
   1. Preparare una striscia di un sottile foglio di plastica, 2 × 40 mm (spessore: 0,1 mm), e piegarlo a metà.
   2. Fissare la striscia ripiegata alla punta di un filo di rame con un adesivo.
   3. Piegate la punta della striscia piegata a cui è collegato il torace di un silkmoth.
2. Utilizzare falene adulte (2-8 giorni) durante il periodo di luce per l'esperimento.
   Nota: La sensibilità al feromone dipende fortemente l'orologio circadiano ^18. Perché B. mori è un lepidottero diurno, l'esperimento deve essere eseguita durante il periodo di luce.
3. Rimuovere delicatamente tutte le scale sul dorsal torace (mesonoto) con un pezzo di tessuto bagnato (o un batuffolo di cotone) ed esporre la cuticola del mesonoto (Figura 2C).
4. Incollare un adesivo sulla striscia di plastica sulla attaccamento e sulla superficie del mesonoto esposta con un piccolo cacciavite a lama piatta e attendere 5-10 minuti finché l'adesivo non è più appiccicoso.
   Nota: L'adesivo non deve toccare la cerniera ala o la tegulae forewing (Figura 2C).
5. Legare la mesonoto per l'allegato.
6. Mantenere la falena legato prima di inserirlo all'interno della cabina di pilotaggio del robot. Tenere il fissaggio su un supporto e mettere un pezzo di carta sotto le gambe di riposare la falena.

3. Robot Insect-controllato

1. Progettare l'hardware del robot insetto controllato sulla base di lavori precedenti ^16,17,19.
   Nota: Il robot insetto controllato costituito da un tapis roulant gonfiabile con un sensore ottico mouse per Capture l'insetto locomozione, schede a microcontrollore AVR basato personalizzate per elaborazione e controllo del motore, e due motori brushless DC (Figure 3 e 4). Il robot può essere eseguito sulla base della rotazione palla 96% precisione o superiore, entro un intervallo di tempo di 200 msec. Esso assicura anche la mobilità di massima velocità di avanzamento (24.8 mm / sec) e la velocità angolare (96,3 ° / sec) della silkmoth durante feromone comportamento di inseguimento ^16. Il flusso d'aria del tapis roulant (Figura 5A) e sistema di erogazione degli odori (Figura 5B) sono progettati per la falena a bordo di camminare agevolmente sulla palla e di acquisire un odore da due antenne. Il canale di aspirazione e il flusso del tapis roulant è separato da quelli del sistema di erogazione odore per evitare la contaminazione del feromone.
2. Progettare il software per i microcontrollori a bordo sulla base di lavori precedenti ^16.
   Nota: Il microcontrollore a bordo calcola tegli movimenti del robot della locomozione insetto misurata con un sensore ottico (rotazionale, Δ x; traslazionale, Δ y; figura 6). La distanza percorsa (Δ L) e ruotare angolo (Δθ) per unità di tempo del robot sono calcolati sulla base della distanza percorsa di ciascuna ruota (sinistra, Δ L _L; destra, Δ L _R) come Δ L = (Δ L _L + Δ L _R) / 2 e Δθ = (Δ L _L - Δ L _R) / _rotella D, dove _ruota D è la distanza tra le due ruote (120 mm). Δ L _L e Δ L _R sono ulteriormente descritti come Δ L _L = Δ L _{x, L} + Δ L _{y, L} e Δ L _R = Δ L _{x, R} + _{Y, R,} dove Δ L _{x, L <Δ} L/ sub> e Δ L _{x, R} sono le distanze di viaggio delle ruote sui lati sinistro e destro controllati da Δ x e Δ L _{y, L} e Δ L _{y, R} sono quelle controllate dalla Δ y. Idealmente, Δ L _{x, L} e Δ L _{x, R} sono descritti come Δ L _{x, L} = -Δ L _{x, R} = G Δ x _(ruota D / D _palla), e Δ L _{y, L} e Δ L _{y , R} sono descritti come Δ L _{y, L} = Δ L _{y, R} = G Δ y, dove G è il guadagno del motore e _palla D è il diametro della sfera (50 mm). In pratica, il guadagno motore viene impostata indipendentemente da ciascun lato (ruota sinistra o destra) e ciascuna direzione (rotazione in avanti o indietro) per calibrare il movimento del robot. I guadagni indipendenti ulteriormente consentono laimpostazione di rotazione del motore asimmetrica per generare una polarizzazione rotazione del robot (vedere la fase 6.1).
3. Lavare la superficie di una sfera bianca polistirolo espanso (massa: circa 2 g, diametro: 50 mm) con acqua per rimuovere eventuali stimoli olfattivi e visivi.
   Nota: La superficie di una nuova palla deve essere sgrossato con grana carta vetrata, come P400, che garantisce la presa delle gambe sulla palla.
4. Accendere il ventilatore che fornisce aria a 9 V al tapis roulant e galleggia la palla (Figura 5A). Osservare la sfera galleggiante di circa 2 mm dal fondo della tazza.
5. Utilizzando una vite, collegare il filo del l'allegato con la falena di rame (vedi punto 2) per un appuntamento fisso nella cabina di guida del robot (vedi figura 3 nel riquadro). Assicurarsi che la posizione delle gambe medio è al centro della sfera (Figura 7A).
6. Regolare la posizione verticale dell'attacco per consentire la falena di camminare normalmente sulla btutti. Mantenere la palla alla stessa altezza prima e dopo aver collegato la falena (Figura 7B).
   Nota: Una posizione troppo basso dell'attacco aggiunge pressione sul tignola e suscita passi all'indietro per resistere alla pressione (figura 7C), mentre una posizione troppo elevata provoca piedi instabile e guasti del sensore a causa di cambiamenti nella posizione verticale la sfera (figura 7D). Per controllare il normale comportamento di camminare, un single-soffiato stimolo feromone viene utilizzato per attivare camminare nella falena (per lo stimolo feromone, vedi punto 4). Si noti che lo stimolo test deve essere minimo perché una precedente esposizione a bombykol abitua silkmoths e diminuisce la loro sensibilità (Matsuyama e Kanzaki, dati non pubblicati).

4. Preparazione Fonte Odore

Nota: Maschio B. mori sono sensibili alla componente principale del feromone sessuale femminile conspecifici (bombykol: (E, Z) -10,12-hexadecadien-1-olo) ^{20. Ogni contaminazione di attrezzature sperimentali con bombykol suscita il comportamento degli odori-tracking e colpisce la capacità di risposta della falena.}

1. Goccia 10 ml di soluzione bombykol sciolto in n-esano (200 ng / ml) su un pezzo di carta da filtro (circa 10 mm x 10 mm). La quantità di bombykol per pezzo di carta da filtro è 2,000 ng.
   Nota: Per controllare il normale comportamento piedi della falena, preparare una cartuccia feromone di stimolo in questa fase. La cartuccia è una pipetta Pasteur di vetro con un pezzo di carta da filtro contenente 2.000 ng di bombykol. Spingendo una lampadina gonfia la bombykol aria contenente.

5. Odore Fonte localizzazione Experiment

1. Accendere il ventilatore di una galleria del vento che tira aria-tipo (1.800 × 900 × 300 mm, L x W x H; Figura 8) e impostare la velocità del vento di 0,7 m / sec. Assicurarsi che la temperatura è superiore a 20 ° C.
2. Impostare la fonte degli odori (il pIECE di carta da filtro contenente bombykol) a monte della galleria del vento.
   Nota: La larghezza pennacchio dovrebbe essere confermato prima dell'esperimento utilizzando TiCl ₄ ^17,19.
3. Accendere il bordo microcontrollore del robot e stabilire una connessione seriale ad un PC via Bluetooth.
4. Avviare un programma Java su misura denominata "Biosignal", che fornisce un'interfaccia tra il PC e il robot.
   Nota: La finestra principale comprende pulsanti per l'invio di comandi al robot, finestre di testo per la visualizzazione l'ingresso e l'uscita della comunicazione seriale, e piccole scatole per configurare i parametri. I comandi successivi vengono inviati facendo clic sui pulsanti corrispondenti in questo programma, tranne che per la cattura video.
5. Fare clic sul pulsante "Info sul dispositivo" per confermare la connessione con l'invio di un comando al robot tramite la porta COM specificata e controllare che un messaggio viene restituito dal robot.
6. Clicca su "memory erase pulsante "per cancellare i dati precedenti locomozione lasciato nella memoria flash integrata.
7. Fare clic sul pulsante "drivemode1" per inviare i guadagni del motore di default al robot.
   Nota: Le manipolazioni dei guadagni motore e l'intervallo di tempo tra la locomozione insetti e movimento del robot vengono applicati dopo questo passaggio (vedere i passi 6.1 e 6.3, figura 9).
8. Fare clic sul pulsante "non guidare" per inviare un comando per immobilizzare il robot fino a quando l'esperimento si avvia.
9. Mettere il robot in una posizione di partenza (600 mm a valle della sorgente di odore) e accendere l'interruttore del bordo di driver del motore.
10. Premere il pulsante di registrazione della videocamera per avviare la cattura video.
11. Fare clic sul pulsante "Start rec" per inviare un comando di avvio per avviare il robot con una registrazione simultanea della rotazione palla sulla memoria flash integrata. Si osservi che il robot inizia a muoversi e tiene traccia del pennacchio odore.
12. Clicca sul"STOP REC" e "non guidare" i pulsanti per inviare comandi per fermare sia il movimento del robot e la registrazione se il robot localizza la fonte dell'odore.
13. Premere il pulsante di registrazione della videocamera per fermare la cattura video.
14. Scarica i dati registrati locomozione dalla memoria flash integrata al computer tramite una connessione seriale. Chiudi il programma.

6. La manipolazione del robot dell'insetto controllata

Nota: I tempi di ogni manipolazione è indicato in figura 9.

1. La manipolazione dei guadagni a motore
   Nota: Questa manipolazione altera la velocità di traslazione e di rotazione del robot. Guadagni motore asimmetrici generare una polarizzazione rotazione, che può essere usato per studiare come insetti compensare la polarizzazione ^17.
   1. Definire i guadagni di rotazione per la rotazione in avanti e all'indietro del motore su ogni lato ¹⁷ (Figura 6B) modificando °file di posta di configurazione chiamato "param2.txt" utilizzando un editor di testo.
   2. Clicca su "param2 set" per leggere il file di configurazione modificato nel programma software. Quindi, fare clic sul "drivemode2" per inviare i guadagni manipolati per il robot.
2. Inversione dell'uscita del motore
   Nota: Questa manipolazione fornisce una condizione simile a l'inversione dell'ingresso olfattivo bilaterale (vedi passo 6.4) e può essere utilizzato per indagare il significato dell'olfatto bilaterale. Tuttavia, l'inversione di uscita motore inverte anche autoindotta movimento visivo di una falena bordo. L'impatto del input visivo autoindotto rovesciata può essere valutato da un confronto con l'ingresso olfattiva invertito ^19.
   1. Invertire il controllo bilaterale del motore attraversando i cavi di controllo per ogni motore.
3. La manipolazione del tempo di ritardo tra la locomozione insetti e movimento del robot.
   Nota: Questa manipolazionepermette l'indagine del periodo accettabile di tempo speso per l'elaborazione sensoriale-motoria per la robotica odori-tracking. Il microcontrollore memorizza i dati di locomozione su una memoria buffer e quindi lo elabora dopo il ritardo di tempo specificato. Si noti che il robot ha un massimo ritardo interno di 200 msec; di conseguenza, il ritardo di tempo effettivo è prevista per l'intervallo di tempo specificato più di 200 msec ^16,17.
   1. Inserire un numero (da 0-10) in una piccola scatola della finestra principale per specificare un intervallo di tempo da 0-1,000 ms a passi di 100 msec.
   2. Fare clic sul pulsante "set ritardo" per applicare il tempo di ritardo.
4. Manipolazione dell'ingresso olfattivo.
   Nota: Questa manipolazione può essere usato per studiare il significato dell'ingresso olfattiva bilaterale. La direzione ondata di silkmoths è polarizzato sul lato superiore concentrazione ^22.
   1. Modificare il divario tra le punte dei tubi di aspirazione o invertire le loro posizioni per alterare ildifferenza di concentrazione di odore acquisita da ciascuna antenna.
5. Manipolazione di input visivi
   Nota: Questa manipolazione è quello di indagare il ruolo di input visivo per l'odore-tracking.
   1. Coprire il telo con un foglio bianco che occlude 105 ° e 90 ° del campo visivo orizzontale e verticale della falena bordo rispettivamente.

Risultati

Presentiamo qui le caratteristiche di base del robot insetti controllata richiesta per la localizzazione di successo di una sorgente di odore. Il confronto tra il robot e silkmoths, l'efficacia del sistema di erogazione odore e il significato di accurate olfattiva bilaterale e input visivi sono esaminati.

Il confronto dei comportamenti odori tracciamento tra tarme liberamente piedi e il robot insetto controllato è mostrat...

Discussione

I punti più importanti per il controllo di successo del robot da un silkmoth sono lasciando la falena camminare agevolmente sulla palla gonfiabile e il stabilmente misura la rotazione palla. Pertanto, legare il silkmoth e montandolo sulla palla nella posizione appropriata sono i passaggi critici in questo protocollo. adesione inadeguate della falena all'attacco o il posizionamento appropriato della falena sulla palla causerà pressione anomala su di esso, che perturba il normale comportamento di camminare e / o cau...

Materiali

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.