Robô controlado por insetos: uma plataforma móvel Robot avaliar a capacidade Odor-tracking de um inseto

Resumo

A capacidade para localizar uma fonte de odor é necessária para a sobrevivência de insectos e espera-se que seja aplicável aos odores-rastreamento artificial. O robô controlado por insetos é accionada por um silkmoth real e nos permite avaliar a capacidade de rastreamento de odor de insetos através de uma plataforma robótica.

Resumo

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.

Introdução

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.

Protocolo

1. animal Experimental

1. Prepare uma caixa de plástico para manter a pupas de silkmoths do sexo masculino (B. mori) até à sua eclosão. Toalhas de papel colocadas na parte inferior e pedaços de papelão ao redor da parede interna da caixa (Figura 1A).
   Nota: Os pedaços de papelão são necessários para as mariposas adultas para segurar enquanto estende suas asas durante a eclosão (Figura 1A).
2. Coloque silkmoth masculino (Bombyx mor i) pupas na caixa e mantê-los em uma incubadora até a eclosão sob um 16-hr: Luz 8 horas: ciclo escuro a 25 ° C.
   NOTA: O macho e pupas do sexo feminino podem ser discriminados pelas marcações do sexo no abdômen (Figura 1B).
3. Recolha mariposas machos adultos após a eclosão e movê-los para uma nova caixa.
4. Manter as traças adultas numa incubadora sob uma 16-h: luz 8-h: ciclo escuro e diminuir a temperatura a 15 ° C para reduzir a sua actividade antes da experiência.

2. Amarrar um Silkmoth

1. Fabricação de um anexo para o tethering (Figura 2A)
   Nota: O acessório é constituído por um fio de cobre com uma tira de uma folha fina de plástico, na sua ponta. Isto assegura o movimento dorso-ventral do tórax durante a marcha (Figura 2B).
   1. Prepara-se uma tira de uma folha fina de plástico, 2 × 40 mm (espessura: 0,1 mm), e dobrá-lo no meio.
   2. Anexar a tira dobrada à ponta de um fio de cobre com um adesivo.
   3. Dobre a ponta da tira dobrada, onde o tórax de um silkmoth está ligado.
2. Use mariposas adultas (2-8 dias) durante o período de luz para o experimento.
   Nota: A sensibilidade para a feromona depende fortemente do relógio circadiano ^18. Porque B. mori é uma mariposa diurna, o experimento deve ser realizado durante o período de luz.
3. Remova cuidadosamente todas as escalas na dorSal tórax (mesonoto) usando um pedaço de tecido húmido (ou haste de algodão) e expor a cutícula do mesonoto (Figura 2C).
4. Cole um adesivo sobre a tira de plástico na fixação e na superfície do mesonoto exposta com uma chave de fendas pequena e esperar 5-10 min, até que o adesivo deixa de ser viscoso.
   Nota: O adesivo não deve tocar a dobradiça asa ou o tegulae asa anterior (Figura 2C).
5. Unir o mesonoto ao anexo.
6. Mantenha a traça amarrado antes de colocá-lo dentro do cockpit do robô. Segure o acessório em um carrinho e colocar um pedaço de papel por baixo das pernas para descansar a mariposa.

3. Robô controlado-Insecto

1. Projetar o hardware do robô controlado por inseto com base em trabalhos anteriores ^16,17,19.
   Nota: O robô controlado por insetos consiste em uma esteira apoiado pelo ar com um sensor de rato óptico para Capture o inseto locomoção, à base de AVR placas de microcontroladores custom-built para processamento e controle motor, e dois motores DC sem escovas (Figuras 3 e 4). O robô pode ser executado com base na rotação bola com precisão de 96% ou superior, dentro de um tempo de atraso de 200 ms. Ele também garante a mobilidade de máxima velocidade de avanço (24.8 mm / s) e velocidade angular (96,3 ° / seg) do silkmoth durante feromônio comportamento de rastreamento ^16. O fluxo de ar da esteira (Figura 5A) e sistema de entrega odor (Figura 5B) são projetados para a traça a bordo de caminhar sem problemas sobre a bola e adquirir um odor por duas antenas. A entrada de ar e do fluxo do canal do tapete rolante é separado dos do sistema de libertação de odores, para evitar a contaminação da feromona.
2. Projetar o software para os microcontroladores de bordo baseados em trabalhos anteriores ^16.
   Nota: O microcontrolador calcula a bordo tele movimentos do robô da locomoção inseto medido com um sensor óptico (rotacional, Δ x; translacional, Δ Y; Figura 6). A distância de deslocamento (Δ L) e virar ângulo (Δθ) por unidade de tempo do robô são calculados com base na distância de percurso de cada uma das rodas (esquerda, Δ L _L; direito, Δ L _R), tais como Δ G = (Δ L _L L + Δ _R) / 2 e Δθ = (Δ L _L - L Δ _R) / _{roda de} D, em que D _roda é a distância entre as duas rodas (120 mm). Δ L _L e Δ L _R são ainda descritos como Δ G _G = _x Δ _{L, L} + Δ G _{Y, L} e Δ L _R = _X Δ _{G, Y, R,} em que _X Δ _{L, L <Δ} L _R +/ sub> e _x Δ _{L, R} são as distâncias das rodas nos lados esquerdo e direito controladas por Δ x, e Δ L _{y, L} e Δ L _{y, R} são as empresas controladas por Δ y. Idealmente, Δ _{x G, L} e _X Δ _{L, R} são descritos como _X Δ _{L, L} = _X -Δ _{L, R} = G Δ x (D _roda / _bola D), e Δ G _{Y, L} e L _Y Δ _{, R} são descritos como Δ G _{Y, L} = Δ L _{Y, R} = G Δ Y, em que G é o ganho do motor e _esfera D é o diâmetro da bola (50 mm). Na prática, o ganho do motor é definido independentemente por cada um dos lados (esquerdo ou direito da roda) e por cada direcção (para a frente ou para trás de rotação) de modo a calibrar o movimento do robô. Os ganhos independentes permitem ainda mais para oconfiguração assimétrica de rotação do motor para gerar um viés de rotação do robô (ver passo 6.1).
3. Lava-se a superfície de uma bola branca Poliestireno (de massa: aproximadamente 2 g; diâmetro: 50 mm) com água para remover quaisquer possíveis pistas olfactivas ou visuais.
   Nota: A superfície de uma nova bola deve ser desbastada com lixa fina, tais como P400, o que assegura o aperto das pernas sobre a bola.
4. Ligue o ventilador do ventilador que fornece ar às 9 V para a esteira e flutua a bola (Figura 5A). Observar a esfera flutuante de aproximadamente 2 mm a partir do fundo do copo.
5. Usando um parafuso, fixe o fio de cobre do anexo com a traça (consulte a etapa 2) para um dispositivo elétrico na cabine do robô (ver Figura 3 inserção). Certifique-se de que a posição das pernas do meio está no centro da esfera (Figura 7A).
6. Ajuste a posição vertical da fixação para permitir a traça a andar normalmente no btodos. Manter a bola na mesma altura antes e depois de anexar a traça (Figura 7B).
   Nota: Uma posição muito menor do acessório adiciona pressão sobre a traça e elicia uma curta para trás, para resistir à pressão (Figura 7C), ao passo que uma posição alta demais provoca andar instável e falhas do sensor devido a alterações na posição vertical de a bola (Figura 7D). Para verificar o comportamento de caminhada normal, um single-inchado estímulo feromônio é usado para disparar andando na traça (para o estímulo feromônio, consulte o passo 4). Note-se que o estímulo de teste deve ser mínimo, porque a exposição anterior para bombykol habitua silkmoths e diminui a sua sensibilidade (Matsuyama e Kanzaki, dados não publicados).

4. Preparação Fonte Odor

Nota: Masculino B. mori são sensíveis ao componente principal da feromona sexual feminina da mesma espécie (bombykol: (E, Z) -10,12-hexadecadien-1-ol) 20. Qualquer contaminação do equipamento experimental com bombykol provoca o comportamento de rastreamento de odor e afecta a capacidade de resposta da traça.

1. Gota de 10 ul da solução bombykol dissolvido em n-hexano (200 ng / ul) sobre um pedaço de papel de filtro (cerca de 10 mm × 10 mm). A quantidade de bombykol cada pedaço de papel de filtro é de 2.000 ng.
   Nota: Para verificar o comportamento normal curta da mariposa, prepare um cartucho de feromônio estímulo nesta etapa. O cartucho é uma pipeta de Pasteur de vidro com um pedaço de papel de filtro contendo 2000 ng de bombykol. Empurrando um bulbo incha o bombykol ar que contém.

5. Odor Fonte Localization Experiment

1. Ligue o ventilador de um túnel de vento ao ar do tipo de puxar (1.800 × 900 mm × 300 mm, L × W × H; Figura 8) e definir a velocidade do vento a 0,7 m / s. Certifique-se de que a temperatura é superior a 20 ° C.
2. Defina a fonte de odor (o pIECE de papel de filtro contendo bombykol) a montante do túnel de vento.
   Nota: A largura pluma deve ser confirmado antes da experiência usando _TiCl4 ^17,19.
3. Ligue a placa do microcontrolador do robô e estabelecer uma conexão serial a um PC via Bluetooth.
4. Lançar um programa Java feito por encomenda chamado de "sinais vitais", que fornece uma interface entre o PC eo robô.
   Nota: A janela principal inclui botões para enviar comandos para o robô, janelas de texto para exibir a entrada e saída de comunicação serial, e pequenas caixas para configurar os parâmetros. Os comandos subseqüentes são enviadas clicando nos botões correspondentes no programa, exceto para captura de vídeo.
5. Clique no "sobre o dispositivo" botão para confirmar a conexão enviando um comando para o robô através da porta COM especificado e verifique se uma mensagem é devolvido pelo robô.
6. Clique no botão "memory apagar "botão para apagar dados de locomoção anteriores deixadas na memória flash onboard.
7. Clique no botão "drivemode1" para enviar os ganhos motores padrão para o robô.
   Nota: As manipulações dos ganhos motor e o tempo de atraso entre a locomoção de insetos e movimento do robô são aplicadas após esta etapa (veja as etapas 6.1 e 6.3, figura 9).
8. Clique no botão "não conduza" para enviar um comando para imobilizar o robô até que a experiência começa.
9. Coloque o robô em uma posição de partida (600 mm a jusante da fonte de odor) e ligue o interruptor da placa de excitador do motor.
10. Pressione o botão de gravação da câmera de vídeo para iniciar a captura de vídeo.
11. Clique no botão "start rec" para enviar um comando de partida para iniciar o robô com uma gravação simultânea da rotação bola na memória flash onboard. Observe que o robô começa a se mover e rastreia a pluma de odor.
12. Clique no"STOP REC" e "não dirija" botões para enviar comandos para parar tanto o movimento do robô ea gravação se o robô localiza a fonte de odor.
13. Pressione o botão de gravação da câmera de vídeo para parar a captura de vídeo.
14. Baixar os dados gravados de locomoção da memória flash integrada ao computador através de uma conexão serial. Feche o programa.

6. A manipulação do robô controlado por Insect

Nota: O tempo de cada manipulação é indicado na Figura 9.

1. Manipulação de ganhos motores
   Nota: Esta manipulação altera a velocidade de translação e de rotação do robô. Ganhos motores assimétricos gerar um viés de torneamento, que pode ser usado para investigar como insectos compensar a polarização ^17.
   1. Definir os ganhos de rotação para a frente e rotação para trás do motor de cada lado ¹⁷ (Figura 6B) editando tharquivo e de configuração chamado "param2.txt" usando um editor de texto.
   2. Clique no botão "param2 set" para ler o arquivo de configuração editado no programa de software. Em seguida, clique no botão "drivemode2" para enviar os ganhos manipulados para o robô.
2. Inversão da saída do motor
   Nota: Esta manipulação fornece uma condição similar à inversão de entrada olfactiva bilateral (ver passo 6.4) e pode ser usado para investigar o significado do olfacto bilateral. No entanto, a inversão da saída do motor também inverte movimento visual auto-indução de uma traça a bordo. O impacto da entrada visual de auto-induzida invertido pode ser avaliada através de uma comparação com a entrada invertida ¹⁹ olfactiva.
   1. Inverter o controle motor bilateral através do cruzamento dos cabos de controlo para cada motor.
3. Manipulação do tempo de atraso entre a locomoção e de insectos movimento do robô.
   Nota: Esta manipulaçãopermite a investigação do período aceitável de tempo gasto no processamento sensorial-motor para o odor-tracking robótico. O microcontrolador armazena os dados de locomoção em um buffer de memória e, em seguida, processa-lo após o intervalo de tempo especificado. Note-se que o robot tem um atraso de tempo interna máxima de 200 ms; Portanto, o retardo de tempo real deve ser o intervalo de tempo especificado, acrescidos de 200 mseg ^16,17.
   1. Introduza um número (0-10) em uma pequena caixa da janela principal para especificar um tempo de atraso de 0-1,000 ms em passos de 100 ms.
   2. Clique no botão "definir o atraso" para aplicar o tempo de atraso.
4. Manipulação da entrada olfactiva.
   Nota: Esta manipulação pode ser utilizada para investigar o significado de entrada olfactiva bilateral. A direção onda de silkmoths é tendenciosa no lado de maior concentração ^22.
   1. Mudar a lacuna entre as pontas de tubo de sucção ou inverter as suas posições para alterar odiferença na concentração de odor adquirida por cada antena.
5. Manipulação da informação visual
   Nota: Esta manipulação é investigar o papel da entrada visual para odor-tracking.
   1. Cobrir o dossel com um papel branco que obstrui 105 ° e 90 ° do campo visual horizontal e vertical da traça a bordo, respectivamente.

Resultados

Apresentamos aqui as características básicas do robô controlado por insetos necessário para a localização bem-sucedida de uma fonte de odor. A comparação entre o robot e silkmoths, a eficácia do sistema de entrega de odor, e o significado de olfactivo bilateral exacta e entradas visuais são examinados.

A comparação dos comportamentos de odor-rastreamento entre traças livremente a pé e o robot controlado por insec...

Discussão

Os pontos mais importantes para o controle bem sucedido do robô por um silkmoth estão deixando a traça caminhar sem problemas sobre a bola apoiado pelo ar ea forma estável medir a rotação de bola. Por isso, amarrar o silkmoth e montá-lo sobre a bola na posição apropriada são os passos críticos neste protocolo. adesão inadequada da mariposa para a fixação ou posicionamento inadequado da mariposa na bola irá causar pressão antinatural sobre ele, o que perturba o seu comportamento marcha normal e / ou provo...

Materiais

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.