昆虫制御のロボット：移動ロボットプラットフォーム昆虫の匂い追跡能力を評価します

要約

臭気源を局在化する能力は、昆虫の生存のために必要であり、人工的な匂いトラッキングに適用可能であることが期待されています。昆虫制御のロボットは、実際のカイコガによって駆動され、ロボットプラットフォームを通して昆虫の匂い追跡能力を評価することを可能にされています。

要約

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.

概要

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.

プロトコル

1.実験動物

1. その羽化まで男性silkmoths（ カイコ ）の蛹を維持するためにプラスチックの箱を用意します。ボックス（ 図1A）の内壁の周りに段ボールの底部との作品で紙タオルを置きます。
   注：羽化（ 図1A）の間に彼らの翼を拡張しながら大人の蛾は、保持するために段ボールのピースが必要です。
2. ボックス内の男性カイコガ（ カイコMORⅰ）蛹を入れて、16時間の下で羽化するまでインキュベータに保管してください：8時間の明：暗サイクルを25℃で。
   注：男性と女性の蛹は、腹部（ 図1B）上のセックスマーキングによって判別することができます。
3. 羽化後に成人男性の蛾を収集し、新しいボックスに移動します。
4. 8時間の光：16時間の下インキュベーター内大人の蛾を保つ暗サイクルと実験の前に、それらの活性を低下させるために15℃まで温度を下げます。

2.カイコガをテザリング

1. テザリングのためのアタッチメント（ 図2A）の作製
   注：添付ファイルは、その先端に薄いプラスチックシートのストリップと銅線で構成されています。これは、（ 図2B）を歩行中に胸部の背腹運動を保証します。
   1. 、薄いプラスチックシートのストリップを準備し、2×40ミリメートル（厚さ：0.1ミリメートル）、および途中でそれを折ります。
   2. 接着剤で銅線の先端に折り畳まれたストリップを取り付けます。
   3. カイコガの胸部が装着されている折り畳まれたストリップの先端を曲げます。
2. 実験用の光期間中（2-8日齢）大人の蛾を使用してください。
   注：フェロモンに対する感度が強く概日時計¹⁸に依存します。 カイコは昼行性の蛾であるため、実験は光期間中に実行されなければなりません。
3. ゆっくりDOR上のすべてのスケールを除去ウェットティッシュ（または綿棒）の一部を使用して、SAL胸郭（mesonotum）とmesonotum（ 図2C）のキューティクルを公開します。
4. 小型のマイナスドライバで添付ファイルにあるプラスチックのストリップ上に露出mesonotumの表面に接着剤を貼り付け、接着剤がもはや粘着性になるまで5〜10分待ちません。
   注：接着剤が翼ヒンジや前翅のtegulaの複数形（ 図2C）に触れないようにしてください。
5. 添付ファイルへのmesonotumを接着。
6. ロボットのコックピットの内側にそれを置く前につなが蛾を保管してください。スタンドに添付ファイルを持ち、蛾を休むように足の下に一枚の紙を置きます。

3.昆虫制御のロボット

1. 前の作品^16,17,19に基づいて、昆虫制御のロボットのハードウェアを設計します。
   注：昆虫制御のロボットがCAPTURする光学式マウスのセンサーで空気サポートトレッドミルで構成されていE昆虫移動、処理、モータ制御用の特注のAVRベースのマイクロコントローラボード、2つのDCブラシレスモータ（ 図3及び4）。ロボットは、200ミリ秒の遅延時間以内に、96％の精度以上でボールの回転に基づいて実行することができます。また、フェロモン追跡動作¹⁶の間にカイコガの最大前進速度の移動度（24.8ミリメートル/秒）と角速度（96.3°/ sec）を保証します。車載蛾ボールにスムーズに歩くし、2つのアンテナによって臭いを取得するためにトレッドミル（ 図5A）及び臭気送達システム（ 図5B）の空気の流れを設計されています。トレッドミルの吸気フローチャネルがフェロモンの汚染を回避するために、臭気デリバリーシステムのものから分離されています。
2. 前の作品¹⁶に基づいて、オンボードのマイクロコントローラ用のソフトウェアを設計します。
   注意：オンボードのマイクロコントローラは、トンを算出し、彼光学センサで測定した昆虫の歩行からロボットの動き（回転、ΔはX;翻訳、ΔY; 図6）。このようなΔL =（ASΔ;走行距離（ΔL）とロボットの単位時間当たりの角度（Δθ）を回し、各車輪の走行距離に基づいて計算される（右、ΔL _R左、ΔLが _L） Lの _L +ΔL _R）/ 2、Δθ=（ΔL _L - D・ _{ホイールは、2}つ_の車輪（120ミリメートル）との間の距離であり、ΔL _R）/ D・ _ホイール 、。 ΔL _LとΔL _Rは、さらにΔL _L =Δの長さ _x、L +ΔのL _yを _、L及び_ΔL、Rは 、ΔLの _X、R +ΔL _yを=、Δの長さ _{×R、L <}として記載されています/サブ>とΔの長さ _x、Rは Δxによって制御さ左右の車輪の移動距離、及びΔL _yを _、L、ΔLの _yは_{、Rは、Δy}で制御されるものです。理想的には、ΔLの _X、L、ΔLの _X、Rは Δの長さ _x、L =-Δの長さ _x、R = GΔのX（D _ホイール / D _ボール ）として記載されており、ΔL _yを _、L及びΔL _{yの、Rは、G} は、モータゲインとD _ボールがボール（50 mm）の直径であるΔL _yを _、L =ΔLが _Y、R = GΔyを、として記載されています。実際には、モータの利得は独立ロボットの運動を較正するように、それぞれの側（左または右車輪）によって、各方向（順方向または逆方向の回転）によって設定されます。独立した利益は、さらにを可能にロボットの旋回バイアスを生成する非対称モータ回転の設定（ステップ6.1参照）。
3. 白い発泡スチロールのボールの表面を洗浄（質量：約2グラム、直径：50ミリメートル）の任意の可能な嗅覚や視覚的な手がかりを除去するために水で。
   注：新しいボールの表面は、ボール上の脚のグリップを確保P400、として、目の細かいサンドペーパーで粗面化しなければなりません。
4. トレッドミルに9 Vで空気を供給した （ 図5A）ボールを浮遊する送風ファンをオンにします。カップの底からボールフロート約2ミリメートルを守ってください。
5. ネジを使用して、蛾の添付ファイルの銅線を接続します （ 図3挿入図を参照）ロボットのコックピット内の固定具に（ステップ2を参照）。真ん中の足の位置がボールの中心（ 図7A）であることを確認します。
6. Bに正常に歩くこと蛾を有効にするには、添付ファイルの垂直位置を調整しますすべて。前と蛾（ 図7B）を取り付けた後に同じ高さにボールをキープ。
   注意：添付ファイルの低過ぎる位置が原因の垂直位置の変化に蛾に圧力を追加し、高すぎる位置が不安定な歩行とセンサーの故障の原因となるのに対し、圧力（ 図7C）を抵抗する後方歩行を引き出しますボール（ 図7D）。通常の歩行動作を確認するには、シングル・パフフェロモン刺激は蛾の中を歩いてトリガするために使用されている（フェロモン刺激のために、ステップ4を参照してください）。ボンビコールへの以前の暴露がsilkmothsをhabituatesとその感度（松山と神崎、未発表データ）を減少させるため、テスト刺激は最小限でなければならないことに注意してください。

4.臭気ソース準備

注：（：（E、Z）-10,12-hexadecadien -1-オールボンビコール）男性カイコは同種の雌性フェロモンの主成分に敏感です 20アップ。ボンビコールと実験装置の汚染は、臭気の追跡行動を誘発し、蛾の応答性に影響を与えます。

1. ろ紙（約10ミリメートル×10ミリメートル）の一片にn-ヘキサン（200 ngの/μL）に溶解したボンビコール溶液10μlをドロップします。ろ紙の個あたりボンビコールの量は2000 ngのです。
   注：、蛾の正常な歩行動作をチェックするには、このステップでフェロモン刺激カートリッジを準備します。カートリッジは、フィルター紙の一枚はボンビコールの2,000 ngのを含有するガラスパスツールピペットです。電球を押すとボンビコールを含む空気をパフ。

5.臭気源位置推定実験

1. プルエア型風洞のファン（1800×900×300ミリメートル、L×W×H; 図8）をオンにして、0.7メートル/秒の風速を設定します。温度を超える20℃であることを確認してください。
2. 臭気源を設定した（p風洞の上流ボンビコールを含むろ紙のIECE）。
   注：プルームの幅は、TiCl ₄を^17,19を使用することにより、実験前に確認する必要があります。
3. ロボットのマイコン基板の電源をオンにし、Bluetooth経由でPCへのシリアル接続を確立します。
4. PCとロボットとの間のインターフェースを提供する「生体情報統合」と呼ばれるカスタムメイドのJavaプログラムを起動します。
   注：メインウィンドウには、パラメータを設定するには、ロボットにコマンドを送信するためのボタン、シリアル通信の入力と出力を表示するテキストウィンドウ、小さなボックスが含まれています。後続のコマンドは、ビデオキャプチャを除いて、このプログラムに対応するボタンをクリックすると送信されます。
5. 指定されたCOMポートを介してロボットにコマンドを送信して接続を確認し、メッセージがロボットによって返されることを確認し、「デバイスについて」ボタンをクリックします。
6. 「メモをクリックします。RY消去」ボタンは、オンボードフラッシュメモリ上に残った前の歩行データを消去します。
7. ロボットにデフォルトのモーターの利益を送信するために「drivemode1」ボタンをクリックします。
   注意：モーターの利益および昆虫歩行とロボットの動きの間の時間遅延の操作は、このステップの後に適用されている（ 図9、ステップ6.1および6.3を参照）。
8. 実験が開始されるまでロボットを固定化するためにコマンドを送信するために、「運転しない」ボタンをクリックします。
9. 開始位置（臭気源から下流の600ミリメートル）でロボットを入れて、モータドライバボードのスイッチをONにしてください。
10. ビデオキャプチャを開始するには、ビデオカメラの録画ボタンを押してください。
11. オンボードフラッシュメモリ上のボールの回転の同時記録でロボットを開始するためにスタートコマンドを送信するために「RECスタート」ボタンをクリックします。ロボットが移動を開始し、臭気プルームを追跡していることを確認します。
12. クリックします。「RECストップ」とは、ロボットが臭気源を局在化する場合は、ロボットの動きと記録の両方を停止するためのコマンドを送信するためのボタンが「運転しません」。
13. ビデオキャプチャを停止するには、ビデオカメラの録画ボタンを押してください。
14. ダウンロードは、シリアル接続を介してコンピュータにオンボードフラッシュメモリから歩行データを記録しました。プログラムを終了します。

昆虫制御ロボットの6マニピュレーション

注：各操作のタイミングは、 図9に示されています。

1. モータ利益の操作
   注意：この操作は、ロボットの並進および回転速度を変化させます。非対称モータ利益は、昆虫、バイアス¹⁷を補償する方法を調査するために使用することができる回転バイアスを生成します。
   1. 目を編集して、各側面¹⁷に、モータ（ 図6B）の前方と後方回転する回転利益を定義します電子構成ファイルは、テキストエディタを使用して「param2.txt」と命名します。
   2. ソフトウェアプログラムで編集した設定ファイルを読み込むには、「設定PARAM2」をクリックします。そして、ロボットに操作利益を送信するために「drivemode2」をクリックしてください。
2. モータ出力の反転
   注：この操作は、二国間嗅覚入力の反転と類似の条件を提供する（ステップ6.4参照）および両側嗅覚の重要性を調査するために使用することができます。しかし、モータ出力の反転はまた、オンボード蛾の自己誘導視覚運動を反転させます。反転自己誘導視覚入力の影響が反転嗅覚入力¹⁹と比較して評価することができます。
   1. 各モータのための制御ケーブルを交配することにより、二国間のモータ制御を反転。
3. 昆虫歩行ロボットの動きとの間の時間遅延の操作。
   注：この操作ロボット臭気追跡のための感覚運動処理に費やされた時間の許容可能な期間の調査を可能にします。マイクロコントローラは、バッファメモリ上の移動データを格納した後、指定された時間遅延の後にそれを処理します。ロボットは200ミリ秒の最大内部時間遅延を持っていることに注意してください。従って、実際の時間遅延は、指定された時間遅延と200ミリ秒^16,17であることが期待されます。
   1. メインウィンドウの小さなボックスに入力（0〜10）の数は、100ミリ秒のステップで0〜1,000ミリ秒から時間遅延を指定します。
   2. 時間遅延を適用するために「設定された遅延」ボタンをクリックします。
4. 嗅覚入力の操作。
   注：この操作は、二国間嗅覚入力の有意性を調べるために使用することができます。 silkmothsのサージ方向が高濃度側²²に付勢されています。
   1. 吸引チューブの先端との間のギャップを変更するか、または変更するためにそれらの位置を反転各アンテナで取得した臭気濃度の差。
5. 視覚入力の操作
   注：この操作は臭気追跡のための視覚入力の役割を調査することです。
   1. それぞれ、オンボード蛾の水平方向と垂直方向の視野の105°と90°を吸蔵ホワイトペーパーでキャノピーをカバーしています。

結果

ここでは臭気源の成功ローカライズするために必要な昆虫制御ロボットの基本的な特性を提示します。ロボットとsilkmoths、臭気デリバリーシステムの有効性、および正確なバイラテラル嗅覚および視覚インプットの重要性との間の比較を検討しています。

自由に歩行蛾や昆虫制御のロボットと臭気トラッキングビヘイビ?...

ディスカッション

カイコガによってロボットの制御の成功のための最も重要な点は蛾が空気でサポートされているボールにスムーズに歩くせると安定したボールの回転を測定しています。したがって、カイコガをテザリングして、適切な位置にボールにマウントすることは、このプロトコルで重要なステップです。添付ファイルまたはボールに蛾の不適切なポジショニングに蛾の不適切な密着性は通常の歩行?...

資料

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.