Насекомое управляемый робот: мобильный робот Платформа для оценки запаху отслеживания Способность насекомого

Резюме

Возможность локализации источника запаха необходимо для выживания насекомых и, как ожидается, будет применима к искусственному запаха слежения. Робот насекомое управлением управляется фактической шелкопряда и позволяет оценить запах отслеживания способности насекомых через роботизированную платформу.

Аннотация

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.

Введение

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.

протокол

1. Экспериментальное животное

1. Подготовьте пластиковую коробку, чтобы держать куколок самцов silkmoths (Б. Mori) до момента их вылупления. Положите бумажные полотенца в нижней части и куски картона вокруг внутренней стенки коробки (рис. 1А)
   Примечание: Кусочки картона необходимы для взрослых моли , чтобы держать, расширяя свои крылья во время вылупления (рис 1А).
2. Положите мужской шелкопряда (Bombyx мор я) куколки в коробке и держать их в инкубатор до вылупления под 16-ч: 8-часовой свет: темнота цикла при 25 ° C.
   ПРИМЕЧАНИЕ: мужского и женского пола куколок можно отличить половыми маркировок на животе (рис 1В).
3. Сбор взрослых самцов моли после вылупления и переместить их в новую коробку.
4. Держите взрослых моли в инкубаторе в 16-ч: 8-часовой свет: темнота и уменьшить температуру до 15 ° С, чтобы снизить свою активность до начала эксперимента.

2. привязывать к шелкопряда

1. Изготовление вложения для привязывания (рис 2A)
   Примечание: Приспособление состоит из медной проволоки с полоской тонкого пластикового листа , на его конце. Это обеспечивает спинным-вентральной движение грудной клетки при ходьбе (рис 2В).
   1. Приготовьте полоску тонкой пластиковой пленкой, 2 × 40 мм (толщина: 0,1 мм), и сложить его в середине.
   2. Приложить сложенную полоску на кончик медной проволоки с клеем.
   3. Согните кончик сложенной полоски, где прикрепляется грудная клетка из шелкопряда.
2. Используйте взрослые моли (2-8 дней) в течение светового периода для эксперимента.
   Примечание: Чувствительность к феромона сильно зависит от циркадных часов ^18. Поскольку Б. Mori является суточное моли, эксперимент должен быть выполнен в течение светового периода.
3. Аккуратно удалите все весы на дорсал грудной клетке (мезонотум) , используя кусочек влажной ткани (или ватным тампоном) и подвергать кутикулу спинке (рис 2C).
4. Вставить клея на полоску пластика на креплении и на поверхности открытой спинке с небольшой плоской отвертки и подождать 5-10 минут, пока клей больше не липким.
   Примечание: Клей не должен касаться крыла петли или переднего крыла тегулы (рис 2С).
5. Бонду среднеспинки к привязанности.
6. Держите мотылька привязанную перед размещением внутри кабины робота. Держите крепление на подставке и положил листок бумаги под ноги, чтобы отдохнуть мотылька.

3. Насекомое управляемый робот

1. Разработка аппаратных робота насекомых управлением на основе предыдущих работ ^16,17,19.
   Примечание: Робот насекомое управлением состоит из беговой дорожки воздухоопорные с оптическим датчиком мыши к CapturЕ двигательного аппарата насекомых, заказных AVR микроконтроллеров на базе платы для обработки и управления двигателем, а также два бесщеточных двигателей постоянного тока (3 и 4). Робот может работать на основе вращения шара с 96% точностью или выше, в течение времени задержки 200 мс. Она также обеспечивает мобильность максимальной скорости движения (24,8 мм / сек) и угловой скорости (96,3 ° / сек) в течение шелкопряда феромона поведения отслеживания ^16. Поток воздуха беговой дорожки (рис 5А) и системы доставки запах (Рисунок 5В) предназначены для бортовой моли идти гладко на мяч и получить запах двумя антеннами. Забор воздуха и канал потока беговой дорожки отделена от системы доставки запаха, чтобы избежать загрязнения феромона.
2. Разработка программного обеспечения для бортовых микроконтроллеров , основанных на предыдущих работах ^16.
   Примечание: Встроенный микроконтроллер вычисляет тон робот движения от локомоции насекомого , измеренной с помощью оптического датчика (вращения, Δ х; поступательные, Δ у; Рисунок 6). Расстояние перемещения (Δ L) и угол поворота (Ае) в единицу времени робота рассчитываются на основании расстояния перемещения каждого колеса (слева, Δ L _L, правый, Δ L _R) , таких как Д L = (Д L _L + Δ L _R) / 2 и Δθ = (Δ L _L - Δ L _R) / D _{колесо,} где D _колеса расстояние между двумя колесами (120 мм). Δ L _L и Δ L _R дополнительно описывается как Δ L _L = Δ L _{X, L} + Δ L _{Y, L} и Δ L _R = Δ L _{х, R} + Δ L _{Y, R,} где Δ L _{X, L <}/ суб> и Δ L _{х, R} являются туристические расстояния колес на левой и правой сторон , контролируемых Д х, и Δ L _{Y, L} и L Δ _{Y, R} являются те , которые контролируются Д у. В идеале, Δ L _{X, L} и Δ L _{х, R} описываются как Δ L _{X, L} = -A L _{X, R} = G Д х (D / D _{колеса шара),} а А L _{Y, L} и L Д _{у , R} описываются как Δ L _{Y, L} = A L _{Y, R} = G Д у, где G является коэффициент усиления двигателя и D _шар является диаметр шара (50 мм). На практике коэффициент усиления двигателя независимо друг от друга установлены с каждой стороны (левая или правая колеса) и по каждому направлению (вперед или назад вращения) таким образом, чтобы откалибровать движение робота. Независимые получает дополнительно позволяютустановка несимметричного вращения двигателя, чтобы генерировать поворота смещения робота (см шаг 6.1).
3. Вымыть поверхность белого Пенополистирол шара (масса: около 2 г, диаметр: 50 мм) с водой, чтобы удалить любые возможные обонятельные или визуальные сигналы.
   Примечание: Поверхность нового шара должна быть разогнали с тонкой наждачной бумаги, такие как P400, которая обеспечивает сцепление ног на мяче.
4. Включите нагнетательный вентилятор , который подает воздух в 9 V к беговой дорожке и парит шар (рис 5А). Обратите внимание шар плавать около 2 мм от дна чашки.
5. С помощью винта прикрепите медный провод крепления с моли (см шаг 2) к арматуре в кабине робота (см рис 3 врезку). Убедитесь , что положение средних ног находится в центре шара (7А).
6. Отрегулируйте вертикальное положение крепления, чтобы позволить мотылька нормально ходить по бвсе. Держите мяч на той же высоте , до и после прикрепления мотылька (рисунок 7b).
   Примечание: слишком низкое расположение крепления добавляет давление на моли и вызывает обратную ходьбу , чтобы противостоять давлению (рис 7в), в то время как слишком высокое положение вызывает неустойчивую ходьбу и отказы датчика из - за изменений в вертикальном положении мяч (рис 7D). Для проверки нормальной ходьбе поведение, один-пыхтел феромона стимул используется для запуска ходьбе в моли (для феромонов стимула, смотрите шаг 4). Обратите внимание, что тестовый стимул должен быть минимальным, так как предыдущее воздействие бомбикол приучает silkmoths и снижает их чувствительность (Мацуяма и Кандзаки, неопубликованные данные).

4. Источник Подготовка Запах

Примечание: Муж B. Mori чувствительны к основной составляющей конспецифической женского полового феромона (бомбикол: (E, Z) -10,12-hexadecadien-1-ол) 20. Любое загрязнение экспериментального оборудования с бомбикол вызывает поведение запаха отслеживания и влияет на отзывчивость моли.

1. Оставьте 10 мкл раствора бомбикол, растворенного в н-гексане (200 нг / мкл) на кусок фильтровальной бумаги (приблизительно 10 мм × 10 мм). Количество бомбикол на кусок фильтровальной бумаги составляет 2000 нг.
   Примечание: Для того, чтобы проверить нормальную пешеходную поведение моли, подготовить феромона стимул картридж на этом этапе. Картридж представляет собой стекло пипетки Пастера с одним куском фильтровальной бумаги, содержащей 2,000 нг бомбикол. Толкая шарик надувает воздух, содержащий бомбикол.

5. Запах Источник локализации Эксперимент

1. Включите вентилятор аэродинамической трубы , потянув воздуха типа (1800 × 900 × 300 мм, L × Ш × В , рисунок 8) и установите скорость ветра 0,7 м / сек. Убедитесь, что температура выше 20 ° С.
2. Установите источник запаха (рIECE фильтровальной бумаги, содержащей бомбикол) вверх по течению от аэродинамической трубе.
   Примечание: Ширина струйка должна быть подтверждена до эксперимента с использованием TiCl ₄ ^17,19.
3. Включите плате микроконтроллера робота и установить последовательное подключение к ПК через Bluetooth.
4. Запуск заказных программ Java под названием "биосигнала", который обеспечивает интерфейс между компьютером и роботом.
   Примечание: Главное окно содержит кнопки для отправки команд робота, текстовые окна для отображения ввода и вывода по последовательному каналу связи, а также небольшие ящики для настройки параметров. Последующие команды посылаются, нажав соответствующие кнопки в этой программе, для захвата видео, за исключением.
5. Нажмите на кнопку "об устройстве", чтобы подтвердить соединение, посылая команду к роботу через указанный COM порт и проверьте, что сообщение возвращается роботом.
6. Нажмите на "памяткечень Erase "кнопку, чтобы стереть предыдущие данные локомоции, оставленные на борту флэш-памяти.
7. Нажмите на кнопку "drivemode1", чтобы отправить прибыли двигательные по умолчанию для робота.
   Примечание: Манипуляции усилений двигателя и временной задержки между локомоции насекомого и движения робота применяются после этого шага (см шаги 6.1 и 6.3, рисунок 9).
8. Нажмите на кнопку "Не садитесь за руль", чтобы отправить команду для иммобилизации робота, пока не начнется эксперимент.
9. Положите робота в начальной позиции (600 мм ниже по течению от источника запаха) и включите переключатель платы драйвера двигателя.
10. Нажмите кнопку записи на видеокамере, чтобы начать захват видео.
11. Нажмите на кнопку "Rec Пуск", чтобы отправить команду запуска для запуска робота с одновременной записью вращения шарика на борту флэш-памяти. Заметим, что робот начинает двигаться и отслеживает запах шлейфа.
12. Нажать на"ЗАП остановка" и "не ездят" кнопки для отправки команд, чтобы остановить как движение робота и запись, если робот локализует источник запаха.
13. Нажмите кнопку записи видеокамеры, чтобы остановить захват видео.
14. Загрузка записанных данных локомоции от бортовой флэш-памяти к компьютеру с помощью последовательного соединения. Закройте программу.

6. Манипуляция насекомых-контролируемого робота

Примечание: Время каждой манипуляции показано на рисунке 9.

1. Манипуляция прибыли моторных
   Примечание: Эта манипуляция изменяет поступательным и вращательным скорость робота. Асимметричные получает двигатель генерировать поворачивающийся уклон, который может быть использован , чтобы исследовать , как насекомые компенсации смещения ^17.
   1. Определить вращательные выгоды для прямого и обратного вращения двигателя на каждой стороне ¹⁷ (рис 6б) путем редактирования йФайл конфигурации электронной под названием "param2.txt" с помощью текстового редактора.
   2. Нажмите на кнопку "установить" Param2 прочитать измененный файл конфигурации в программе. Затем нажмите на кнопку "drivemode2", чтобы отправить манипулируют выгоды для робота.
2. Инверсия мощности двигателя
   Примечание: Эта манипуляция обеспечивает условие , аналогичное инверсии двустороннего обонятельной ввода (см шаг 6.4) и может быть использован для исследования важность двустороннего обоняния. Тем не менее, обращение мощности двигателя также инвертирует самоиндуцированной визуальное движение бортовой моли. Воздействие перевернутом самоиндуцированного визуального ввода может быть оценена путем сравнения с инвертированной обонятельной входом ^19.
   1. Обратить двустороннее управление двигателем путем пересечения кабелей управления для каждого двигателя.
3. Манипулирование временной задержки между локомоции насекомого и движением робота.
   Примечание: Эта манипуляцияпозволяет исследовать приемлемого периода времени, затрачиваемого на обработку сенсомоторного для роботизированной запаха слежения. Микроконтроллер хранит данные локомоции на буферной памяти, а затем обрабатывает его по истечении заданного времени задержки. Обратите внимание, что робот имеет максимальное внутреннее время задержки 200 мс; Таким образом, фактическая задержка по времени , как ожидается, будет указано время задержки плюс 200 мс ^16,17.
   1. Введите номер (от 0-10) в небольшом окне главного окна, чтобы задать время задержки от 0-1000 мс на 100 мс шагов.
   2. Нажмите на кнопку "установить задержки", чтобы применить временную задержку.
4. Манипулирование обонятельной ввода.
   Примечание: Эта манипуляция может быть использован для исследования важность двустороннего обонятельной ввода. Направление всплеск silkmoths смещается на стороне ^22-выше концентрации.
   1. Изменение зазора между кончиками всасывающей трубки или инвертировать свои позиции изменяютразница в концентрации запаха, приобретенной каждой антенны.
5. Манипуляция визуального ввода
   Примечание: Эта манипуляция является изучение роли визуального ввода для запаха отслеживания.
   1. Накройте навес с белой бумаги, который закупоривает 105 ° и 90 ° по горизонтали и вертикали поля зрения бортовой моли, соответственно.

Результаты

Приведем здесь основные характеристики робота насекомых под контролем, необходимых для успешной локализации источника запаха. Сравнение между роботом и silkmoths, эффективность системы доставки запаха, а также значение точного двустороннего обонятельных и зрительных в...

Обсуждение

Наиболее важные моменты для успешного управления роботом с помощью шелкопряда выпускающих мотылек ходить гладко на воздушном шаре при поддержке и стабильно измерять вращение мяча. Поэтому привязывать к шелкопряда и установки его на шару в соответствующем положении, являются критиче...

Материалы

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.