곤충 제어 로봇 : 이동 로봇 플랫폼은 곤충의 냄새 추적 능력을 평가하는

요약

냄새 소스 지역화하는 능력 벌레의 생존에 필요한 인공 냄새 추적에 적용될 것으로 기대된다. 곤충 제어 로봇은 실제 silkmoth에 의해 구동 로봇 플랫폼을 통해 곤충의 냄새 추적 능력을 평가하기 위해 우리가 할 수있다.

초록

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.

서문

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.

프로토콜

1. 실험 동물

1. 자신의 우화까지 남성 silkmoths의 번데기 (B. 모리)를 유지하는 플라스틱 상자를 준비합니다. 넣어 종이 하단에 수건 상자 (그림 1A)의 내벽 주위에 종이 조각.
   참고 : 우화 (그림 1A) 동안 날개를 확장하면서 성인 나방가 개최하는 종이의 조각이 필요합니다.
2. 넣어 남성 silkmoth (봄 빅스 MOR ⅰ) 상자에 번데기 및 16 시간에서 우화까지 인큐베이터에 보관 : 25 ° C에서 어두운주기 : 8 시간 빛.
   참고 : 남성과 여성의 번데기는 복부 (그림 1B)에 성 표시에 의해 구별 될 수있다.
3. 우화 후 성인 남성 나방을 수집하고 새로운 상자로 이동합니다.
4. 8 시간 빛 : 16 시간에서 인큐베이터에서 성인 나방 유지 어두운주기 및 실험 전에 활동을 줄이기 위해 15 ° C까지 온도를 낮 춥니 다.

2. Silkmoth을 테 더링

1. 테 더링에 대한 첨부 파일의 제작 (그림 2A)
   참고 : 첨부 파일의 끝에 얇은 플라스틱 시트의 스트립 구리 와이어로 구성된다. 이 (그림 2B)를 보행시 흉부의 지느러미 - 복부 운동을 보장합니다.
   1. 얇은 플라스틱 시트의 스트립을 2 × 40 mm 준비 (두께 : 0.1 mm)를 중간으로 접은.
   2. 접착제와 구리 와이어의 끝 부분에 접힌 스트립을 부착합니다.
   3. silkmoth의 흉부가 부착되어 접힌 스트립의 끝을 구부리십시오.
2. 실험의 빛 기간 동안 (2-8일 세) 성인 나방을 사용합니다.
   참고 : 페로몬에 대한 감도가 강하게 일 주기성 시계 ^(18)에 따라 달라집니다. B. 모리가 일주 엄하기 때문에, 실험은 점등 기간 동안 수행되어야한다.
3. 조심스럽게 DOR의 모든 비늘을 제거남자 이름 물티슈 (또는 면봉)의 조각을 사용하여 흉부 (mesonotum)와 mesonotum (그림 2C)의 표피를 노출합니다.
4. 첨부 파일에 플라스틱 스트립과 작은 일자 드라이버로 노출 된 mesonotum의 표면에 접착제를 붙여 접착제가 더 이상 끈적 때까지 5 ~ 10 분을 기다려야합니다.
   참고 : 접착제가 날개 힌지 또는 앞날개의 tegulae (그림 2C)을 터치하지 않아야합니다.
5. 첨부 파일에 mesonotum을 결합.
6. 로봇의 조종석 내부를 배치하기 전에 닿는 나방을 유지합니다. 스탠드에 부착을 잡고 나방 휴식을 다리 아래에 종이를 넣어.

3. 곤충 제어 로봇

1. 이전 작품 ^16,17,19에 따라 곤충 제어 로봇의 하드웨어를 디자인합니다.
   참고 : 곤충 제어 로봇 CAPTUR하는 광 마우스 센서가 공기 지원 디딜 방아로 구성E 곤충 운동, 처리 및 모터 제어, 2 개의 DC 브러시리스 모터에 대한 맞춤형 AVR 기반 마이크로 컨트롤러 보드 (도 3 및도 4). 로봇은 200 밀리 초를 지연 시간 이내에 96 % 이상의 정확도로 볼의 회전에 기초하여 실행할 수있다. 또한 페로몬 추적 동작 ⁽¹⁶⁾ 동안 silkmoth의 최대 전진 속도의 이동성 (24.8 mm / 초) 및 각속도 (96.3 ° / 초)을 보장한다. 온보드 나방 공에 부드럽게 걸어와 두 개의 안테나에 의해 냄새를 획득하는 디딜 방아 (그림 5A) 및 악취 전달 시스템 (그림 5B)의 공기 흐름 설계되었습니다. 트레드밀의 흡기 및 흐름 채널은 페로몬의 오염을 방지하기 위해 악취 전달 시스템들로부터 분리된다.
2. 이전 작품 ^16을 기반으로 내장 마이크로 컨트롤러 용 소프트웨어를 디자인합니다.
   참고 : 내장 된 마이크로 컨트롤러 t를 계산그는 광학 센서로 측정 곤충 운동에서 로봇의 움직임 (회전, Δ는 X, 번역, Δ y를, 그림 6). (예 Δ의 L = 같은 Δ를 상기 이동 거리 (Δ의 L) 및 각 차륜 (오른쪽, Δ L _R 왼쪽 Δ 리터 _L)의 이동 거리에 기초하여 계산되며, 로봇의 단위 시간당 각 (Δθ)을 켜 D _{바퀴 두} 바퀴 (120mm) 사이의 거리입니다 Δ의 L의 _R) / D _휠, - L의 _L + Δ의 L의 _R) / 2, Δθ = (Δ L의 _L. Δ의 L _L과 Δ L _{R 추가} Δ의 L의 _L로 설명되어 있습니다 = Δ의 L의 _{X, L} + Δ의 _{L, Y, L} 및 Δ L의 _R = Δ의 L의 _{X, R} + Δ의 L _{y를, R,} Δ의 L의 _{X, L <}/ 서브> 및 Δ의 L의 _{X, R은} Δ X로 제어 좌우의 바퀴의 주행 거리 및 Δ의 L의 _{Y, L} 및 Δ의 L의 _{예이고, R은} Δ y를 제어 것들이다. 이상적으로, Δ L의 _{X, L} 및 Δ의 L의 _{X, R은} Δ의 L의 _{X, L} = -Δ의 L의 _{X, R} = G Δ의 × (D _휠 / D _공), 및 Δ의 L _{y를, L} 및 Δ의 L _(y)으로서 설명되어 있습니다 _{, R은} G 모터 이득이고, D _공 공 (50mm)의 직경 Δ의 L _{y를, L} = Δ의 L _{y를, R} = G Δ y를 설명한다. 실제로, 모터의 이득은 독립적으로 로봇 이동을 보정하도록 각 측면 (좌측 또는 우측 휠)에 의해 각각의 방향 (순방향 또는 역방향 회전)에 의해 설정된다. 독립적 인 이득은 상기 허용로봇의 선회 바이어스를 생성하는 비대칭 모터 회전 수의 설정 (단계 6.1 참조).
3. 흰색 발포 폴리스티렌 공의 표면 세척 (질량 : 약 2 g의 직경 : 50mm) 물을 가능한 후각이나 시각 신호를 제거 할 수 있습니다.
   참고 : 새 공의 표면은 공을 다리의 그립을 보장 같은 P400 미세 그릿 샌드페이퍼, 함께 거칠게해야한다.
4. 디딜 방아 9 V에 공기를 공급하고, 볼 (그림 5A)를 수레 송풍 팬의 전원을 켭니다. 볼이 컵의 바닥으로부터 약 2mm 플로트 관찰한다.
5. 나사를 사용 나방과의 부착 구리 와이어를 연결 (도 3 인셋 참조) 로봇의 조종석 조명기한다 (단계 2 참조). 중간 다리의 위치가 공 (도 7a)의 중심에 있는지 확인합니다.
6. ㄴ 정상적으로 걸을 수 나방을 사용하려면 첨부 파일의 수직 위치를 조정모든. 이전과 나방 (그림 7B)를 부착 한 후 동일한 높이로 공을 보관하십시오.
   참고 : 첨부 파일의 너무 낮은 위치 때문에의 수직 위치의 변화에 나방에 압력을 추가하고 너무 높은 위치가 불안정 걷고 센서의 고장이 발생하는 반면, 압력 (그림 7C)에 저항하는 뒤로 걷기를 이끌어 공 (그림 7D). 정상 보행 동작을 확인하려면, 단일 부풀어 페로몬 자극이 방에 걸어 트리거하는 데 사용됩니다 (페로몬의 자극에 대해 4 단계 참조). bombykol 이전 노출 silkmoths을 habituates 및 감도 (마츠야마와 자키, 게시되지 않은 데이터)를 감소하기 때문에 테스트 자극을 최소화해야합니다.

4. 냄새 자료 준비

참고 : 남성 B. 모리가 conspecific 여성 섹스 페로몬의 주요 요소에 민감한 (bombykol : (E, Z) -10,12가-hexadecadien -1- 올) 20입니다. bombykol와 실험 장비의 오염은 냄새 추적 행동을 이끌어와 나방의 응답에 영향을 미친다.

1. 여과지 (약 10mm × 10mm)의 조각에 n- 헥산 (200 NG / μL)에 용해 bombykol 용액 10 μL 놓는다. 여과지 개당 bombykol의 양은 2000 NG이다.
   참고 : 나방의 정상적인 보행 동작을 확인이 단계에서 페로몬 자극 카트리지를 준비하려면. 카트리지는 여과지의 한 조각 bombykol 2,000 NG 함유 유리 파스퇴르 피펫이다. 전구를 추진하는 것은 공기가 포함 bombykol을 내뿜.

5. 냄새 소스 현지화 실험

1. 0.7 m / 초로 설정하고 바람 속도, 인상 공기 형 풍동 (그림 8 1,800 × 900 × 300mm, L × W × H)의 팬의 전원을 켭니다. 온도가 20 ° C인지 확인합니다.
2. 냄새의 소스를 설정합니다 (P풍동 상류 bombykol 함유 여과지)의 IECE.
   주 : 기둥의 _{폭은 TiCl4} ^{(17, 19)를} 사용하여 실험을하기 전에 확인한다.
3. 로봇의 마이크로 컨트롤러 보드의 전원을 켜고 블루투스를 통해 PC에 직렬 연결을 설정합니다.
4. PC와 로봇 사이의 인터페이스를 제공한다 "생체 신호"라는 사용자 지정 만든 자바 프로그램을 실행합니다.
   주 : 메인 윈도우 로봇에 명령을 송신하기위한 버튼과, 파라미터를 설정하기 위해 입력 및 출력 직렬 통신, 작은 박스를 표시하기위한 텍스트 창. 후속 명령은 비디오 캡처를 제외하고,이 프로그램에 해당하는 버튼을 클릭하여 전송됩니다.
5. 지정된 COM 포트를 통해 로봇에 명령을 전송하여 연결을 확인하고 메시지가 로봇에 의해 반환되는 것을 확인하기 위해 "장치에 대한"버튼을 클릭합니다.
6. 은 "메모를 클릭공예 지우기 "버튼을 눌러 내장 플래시 메모리에 남아있는 이전의 운동 데이터를 삭제합니다.
7. 로봇에 대한 기본 모터 이익을 보내 "drivemode1"버튼을 클릭합니다.
   주 : 모터 이득 곤충 식 이동 로봇의 운동 간의 시간 지연 조작이 단계 후 (단계 6.1 및 6.3,도 9 참조)에 적용된다.
8. 실험이 시작될 때까지 로봇을 고정하는 명령을 보낼 수있는 "운전하지 않는다"버튼을 클릭합니다.
9. 시작 위치 (냄새 소스에서 600mm 하류)에서 로봇을 넣고 모터 드라이버 보드의 스위치를 켭니다.
10. 비디오 캡처를 시작 캠코더의 녹화 버튼을 누릅니다.
11. 내장 플래시 메모리에 공 회전의 동시 녹음으로 로봇을 시작하는 시작 명령을 보낼 수있는 "녹화 시작"버튼을 클릭합니다. 로봇이 움직이기 시작하고 냄새 깃털을 추적 관찰.
12. 온 클릭"REC 정지"및 로봇 냄새 소스 편재하는 경우, 로봇의 이동 및 기록 모두 정지 명령을 보낼 버튼 "을 구동하지 않는다."
13. 비디오 캡처를 중지하려면 캠코더의 녹화 버튼을 누릅니다.
14. 다운로드 직렬 연결을 통해 컴퓨터에 내장 된 플래시 메모리에서 운동 데이터를 기록했다. 프로그램을 닫습니다.

곤충 제어 로봇의 6 조작

주 : 각 조작의 타이밍은 그림 9에 표시됩니다.

1. 모터 이익의 조작
   주 :이 조작 로봇의 병진 및 회전 속도를 변경합니다. 비대칭 모터 이득 곤충 바이어스 ^(17)를 보상하는 방법을 조사하기 위해 사용될 수있는 전환의 바이어스를 생성한다.
   1. 편집 번째로 앞으로 각면 ⁽¹⁷⁾ (그림 6B)에 모터의 역 회전 회전 이익을 정의전자 구성 파일은 텍스트 편집기를 사용하여 "param2.txt"라는.
   2. 소프트웨어 프로그램의 편집 된 구성 파일을 읽을 수있는 "설정 PARAM2"을 클릭합니다. 그런 다음, 로봇의 조작 이득을 보내 "drivemode2"을 클릭합니다.
2. 모터 출력 반전
   주 :이 조작 양자 후각 입력의 반전과 동일한 조건을 제공한다 (단계 6.4 참조), 양자 후각의 중요성을 조사하는데 사용될 수있다. 그러나, 모터의 출력의 반전은 온보드 나방 자려 시각적 움직임을 반전시킨다. 반전 자려 영상 입력의 영향은 후각 반전 입력 ^(19)과 비교하여 평가할 수있다.
   1. 각 모터 제어 케이블을 횡단하여 양자 모터 제어를 전환.
3. 곤충 식 이동 로봇의 운동 간의 시간 지연 조작.
   주 :이 조작을로봇 냄새 추적 감각 모터 처리에 소요되는 시간의 허용 기간의 조사를 할 수 있습니다. 마이크로 컨트롤러는 버퍼 메모리의 운동 데이터를 저장 한 후, 지정된 시간 지연 후 처리한다. 로봇이 200 밀리의 최대 내부 시간 지연이 있습니다; 따라서, 실제 시간 지연을 지정된 시간 지연 더하기 200 밀리 ^16,17 것으로 예상된다.
   1. 메인 윈도우의 작은 상자에 입력 (0-10)에서 숫자는 100 밀리 단계에서 0-1,000 밀리 초에서 시간 지연을 지정합니다.
   2. 시간 지연을 적용하려면 "설정 지연"버튼을 클릭합니다.
4. 후각 입력 조작.
   주 :이 조작 양자 후각 입력의 중요성을 조사하는데 사용될 수있다. silkmoths의 서지 방향은 높은 농도의 측면 ⁽²²⁾ 상에 편향된다.
   1. 흡입관 팁 사이의 간격을 변경하거나 변경하기 위해 자신의 위치를 ​​반전각각의 안테나에 의해 취득 된 악취 농도 차이.
5. 영상 입력의 조작
   주 :이 조작 냄새 추적에 대한 시각적 입력의 역할을 조사하는 것입니다.
   1. 각각 온보드 나방의 수평 및 수직 시야의 105 ° 및 90 ° 폐색 백서와 캐노피를 커버.

결과

우리는 여기서 악취 소스의 성공적인 위치 파악에 필요한 제어 곤충 로봇의 기본 특성을 제시한다. 로봇과 silkmoths, 악취 전달 시스템의 효율성 및 정확성 양자 후각 시각적 입력의 의미의 비교 검사한다.

자유롭게 산책 나방과 곤충 제어 로봇 사이의 냄새 추적 행동의 비교는 그림 10A와 B에 표시됩니?...

토론

silkmoth 의해 로봇의 성공적인 제어하는 ​​가장 중요한 포인트는 방 공기지지 공 매끄럽게 걸어시키는하고 안정적 ​​공의 회전을 측정. 따라서, silkmoth을 테 더링하고 적절한 위치에서 공을 설치하면이 프로토콜의 중요한 단계입니다. 첨부 파일 또는 공 나방의 부적절한 위치에 나방의 부적절한 유착은 정상 보행 동작을 교란 및 / 또는 볼의 회전을 측정하는 광 센서의 고장 원인이 거기에 자?...

자료

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.