Böcek kontrollü Robot: Bir Mobil Robot Platformu bir Böcek Koku izleme Yeteneği değerlendirin

Özet

Bir koku kaynağı yerelleştirilmesine yeteneği böcek hayatta kalmak için gerekli olan ve yapay koku izleme için geçerli olması bekleniyor. Böcek kontrollü robot gerçek bir silkmoth tarafından tahrik ve bir robot platform üzerinden böceklerin koku izleme yeteneği değerlendirmek için bize sağlar edilir.

Özet

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.

Giriş

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.

Protokol

1. Deneysel Hayvan

1. Onların eclosion kadar erkek silkmoths ve pupa (B. mori) tutmak için bir plastik kutu hazırlayın. Put kağıt altındaki havlu ve kutu (Şekil 1A) iç duvarı etrafında karton parçaları.
   Not: eclosion (Şekil 1A) sırasında kanatlarını uzatırken yetişkin güveler tutmak için karton parçaları gereklidir.
2. Put erkek silkmoth (Bombyx mor i) kutusuna pupa ve 16 saat altında eclosion kadar bir kuluçka saklayın: 25 ° C'de karanlık döngüsü: 8 saatlik ışık.
   NOT: erkek ve dişi pupa karın (Şekil 1B) seks işaretlerle ayırt edilebilir.
3. eclosion sonra yetişkin erkek pervane toplamak ve yeni bir kutu içine taşıyabilirsiniz.
4. 8 saat ışık: 16 saat altında bir inkübatör içerisinde yetişkin pervane tutun karanlık dönem ve deneyden önce etkinliklerini azaltmak için 15 ° C'ye sıcaklık azalır.

2. silkmoth hayvan zinciri

1. Tethering için bir ekin Fabrikasyon (Şekil 2A)
   Not: bağlanma onun ucunda ince bir plastik tabakanın bir şerit bir bakır telden oluşur. Bu (Şekil 2B) yürüyüş sırasında toraks dorsal-ventral hareketini sağlar.
   1. ince plastik levha bir şerit, 2 × 40 mm hazırlayın (kalınlık: 0.1 mm) ve orta katlayın.
   2. bir yapıştırıcı ile bir bakır tel ucu katlanmış şerit takın.
   3. Bir silkmoth toraks bağlı olduğu katlanır şeridin ucu kır.
2. deney için ışık döneminde (2-8 gün) yetişkin güveler kullanın.
   Not: feromon hassasiyet kuvvetle sirkadiyen saat ¹⁸ bağlıdır. B. mori bir gündüz güve olduğu için, deney ışık dönemde yapılmalıdır.
3. Yavaşça dor tüm ölçekler kaldırmaksal ıslak doku (veya pamuklu çubukla) bir parçası kullanarak göğüs (mesonotum) ve mesonotum (Şekil 2C) manikür maruz.
4. Ek üzerindeki plastik şeridinde ve küçük bir düz uçlu tornavida ile maruz mesonotum yüzeyinde bir yapışkan yapıştırın ve yapışkan artık yapışkan olana kadar 5-10 dakika bekleyin.
   Not: Yapışkan kanat menteşe veya forewing tegulae (Şekil 2C) temas etmemelidir.
5. eke mesonotum Bond.
6. Robotun kokpit içine yerleştirmeden önce gergin güve tutun. Bir stand eki tutun ve güve dinlenmek için ayaklarının altına bir kağıt parçası koyun.

3. Böcek kontrollü Robot

1. Önceki çalışmalarını ^16,17,19 dayalı böcek kontrollü robot donanım tasarlayın.
   Not: Böcek kontrollü robot Captur için bir optik fare sensörü ile hava destekli koşu bandı oluşure böcek hareket, işleme ve motor kontrolü ve iki DC fırçasız motorlar için özel olarak oluşturulmuş AVR tabanlı mikroişlemci tahtaları (Şekil 3 ve 4). Robot 200 msn gecikmeli içinde,% 96 hassasiyet veya daha yüksek top rotasyon esasına göre çalışır. Ayrıca feromon izleme davranışı ¹⁶ sırasında silkmoth maksimum ileri hız hareketliliğini (24.8 mm / sn) ve açısal hız (96.3 ° / sn) sağlar. Teknede güve topa düzgün yürümeye ve iki anten tarafından bir koku elde etmek için koşu bandı (Şekil 5A) ve koku dağıtım sistemi (Şekil 5B) hava akımı tasarlanmıştır. koşu bandı hava emiş ve akış kanalı feromon kirlenmesini önlemek için koku verme sisteminin olanlardan ayrılır.
2. Önceki çalışmalarını ¹⁶ dayalı yerleşik mikroişlemcisi için yazılım tasarlayın.
   Not: Yerleşik mikroişlemci t hesaplarO bir optik algılayıcı ile ölçülen böcek hareketin robot hareketleri (dönme, Δ x, translasyon, Δ Y; Şekil 6). (Örneğin Δ L = olarak ö; hareket mesafesi (Δ L) ve her bir tekerleğin (sağ, Δ L _R sol Δ L _L) seyahat mesafesi esas alınarak hesaplanan robotun birim zaman başına açısı (Δθ) çevirin D _tekerlekli iki tekerlek (120 mm) arasındaki mesafedir Δ L _R) / D _tekerlekli, - L _L + Δ L _R) / 2 ve Δθ = (Δ L _L. Δ _{L, L} ve Δ L _R daha Δ L _L olarak tanımlanmaktadır = Δ L _{X, L} + Δ L _{Y, L} ve Δ L _R = Δ L _{X, R} + Δ L _{Y, R,} Δ L _{x L <}/ sub> ve Δ U _{x, R} Δ x tarafından kontrol sol ve sağ tarafta tekerleklerin seyahat mesafeleri ve Δ L _{y L} ve Δ L _{y, R} Δ y tarafından kontrol olanlardır. İdeal olarak, Δ U _{x, L} ve Δ U _{x, R} Δ L _{x L} = -Δ L _{x R} = G Δ x (D _tekerleği / D _top) ve Δ L _{y, L} ve Δ L _y olarak tarif edilmektedir _{, RG} motor kazanç ve _D'top oyunu (50 mm) çapı olan Δ _{L, Y, L} = Δ L _{Y, R} = G Δ y olarak tarif edilmektedir. Uygulamada, motorlu kazanç bağımsız robot hareketini kalibre şekilde her iki tarafında (sağ veya sol tekerlek) ile ve her yönde (ileri ya da geri dönme) tarafından ayarlanır. Bağımsız kazançlar ayrıca izinRobotun bir dönüm önyargı oluşturmak için asimetrik motor dönme ayarı (adım 6.1).
3. beyaz genişletilmiş polistiren topun yüzeyini yıkamak (kütle: yaklaşık 2 gr; çap: 50 mm) su ile olası koku veya görsel ipuçlarını kaldırmak için.
   Not: Yeni bir topun yüzeyi topu bacaklarının tutuş sağlar gibi P400 gibi ince taneli zımpara kağıdı, ile roughed edilmelidir.
4. Koşu bandı 9 V havayı topu (Şekil 5A) yüzen fan fan açın. bilye dibinden yaklaşık 2 mm yüzer gözlemleyin.
5. Bir vida kullanarak, güve ile ekin bakır tel takmak (Şekil 3 inset bakınız) robotun kokpitte bir fikstür (bkz: adım 2). Orta bacakların konumu topu (Şekil 7A) merkezinde olduğundan emin olun.
6. b normalde yürümeye güve sağlamak için ekin dikey konumunu ayarlamakherşey. Öncesi ve güve (Şekil 7B) taktıktan sonra aynı yükseklikte topu tutun.
   Not: ekin bir çok-düşük pozisyon nedeniyle dikey konumda değişikliklere güve üzerindeki baskıyı ekler ve bir çok yüksek pozisyon kararsız yürüme ve sensör arızaları neden ise, basıncı (Şekil 7C) karşı geri yürüme ortaya çıkarır top (Şekil 7D). normal yürüme davranışını kontrol etmek için, bir tek şişirilmiş feromon uyarıcı güve yürüyüş tetiklemek için kullanılan (feromon uyarıcı için, adım 4'e bakınız). bombykol önceki maruziyet silkmoths alıştırır ve onların hassasiyetini (Matsuyama ve Kanzaki, yayınlanmamış veri) azalır çünkü deney uyaran az olması gerektiğini unutmayın.

4. Koku Kaynak Hazırlama

Not: Erkek B. Mori conspecific kadın cinsiyet feromonunun ana bileşeni duyarlı (bombykol: (E, Z) -10,12-hexadecadien-1-ol) 20 kadar. bombykol ile deneysel ekipmanların herhangi kirlenme koku izleme davranışı ortaya çıkaran ve güve yanıt etkiler.

1. filtre kağıdı (yaklaşık 10 mm x 10 mm) içindeki bir parça n-heksan (200 ng / | il) içinde çözüldü bombykol çözeltisi 10 ul bırakın. filtre kağıdının birim başına bombykol miktarı 2.000 ng.
   Not: güve normal yürüme davranışını kontrol bu adımda bir feromon uyarıcı kartuşu hazırlamak. kartuş filtre kağıdının bir parçası bombykol 2.000 ng içeren bir cam Pasteur pipeti olduğunu. Bir ampul Pushing hava içeren bombykol ponponları.

5. Koku Kaynak Yerelleştirme Deneyi

1. 0,7 m / sn ve set rüzgar hızı, bir çekme-hava-tipi rüzgar tüneli (Şekil 8 1800 × 900 × 300 mm, L x G x Y) ve fan açın. Sıcaklık en fazla 20 ° C olduğundan emin olun.
2. koku kaynağını ayarlayın (sRüzgar tünelinin yukan bombykol ihtiva eden filtre kağıdı) IECE.
   Not: bulut genişliği _TiCI4 ^17,19 kullanarak deney öncesinde teyit edilmelidir.
3. Robotun mikrodenetleyici açın ve Bluetooth üzerinden bir PC'ye bir seri bağlantı kurmak.
4. PC ve robot arasında bir arayüz sağlar "Biyoişaret," adlı bir ısmarlama Java programı başlatın.
   Not: Ana pencere robot komutları göndermek için düğmeler içerir, parametrelerini yapılandırmak için girdi ve seri haberleşme çıkışı ve küçük kutularını görüntülemek için metin pencereleri. sonraki komutlar video çekimi dışında bu programda gelen düğmeleri tıklayarak gönderilir.
5. Belirtilen COM portu sayesinde robot bir komut göndererek bağlantıyı onaylamak ve bir mesaj robot tarafından döndürülen olup olmadığını kontrol etmek "cihazla ilgili" butonuna tıklayın.
6. "Memo tıklayınry silme "butonuna onboard flash bellek üzerinde sol önceki lokomosyon verileri silmek için.
7. robot varsayılan motorlu kazanımları göndermek için "drivemode1" butonuna tıklayın.
   Not: Motor kazanç ve böcek hareketlilik ve robot hareketi arasındaki zaman gecikmesi manipülasyonlar bu aşamadan sonra (adım 6.1 ve 6.3, Şekil 9) uygulanır.
8. Deney başlayana kadar robot hareketsiz bir komut göndermek için "sürücü yok" butonuna tıklayın.
9. Bir başlangıç ​​pozisyonuna (koku kaynağından 600 mm aşağı) de robot koyun ve motor sürücü kurulu anahtarını açın.
10. video yakalama başlatmak için kameranızın kayıt düğmesine basın.
11. onboard flash bellek top dönme eşzamanlı kaydı ile robot başlatmak için start komutu göndermek için "rec başlangıç" butonuna tıklayın. Robot hareket etmeye başlar ve koku tüy izler gözlemleyin.
12. Tıkla"Rec stop" ve robot koku kaynağı lokalize ise robot hareket ve kayıt hem de durdurmak için komutlar göndermek için düğmeler "sürücü yok".
13. video yakalama durdurmak için kameranızın kayıt düğmesine basın.
14. İndir bir seri bağlantı ile bilgisayara onboard flash bellekten lokomosyon verileri kaydedildi. Programı kapat.

Böcek kontrollü Robot 6. Manipülasyon

Not: Her manipülasyon zamanlaması Şekil 9'da gösterilir.

1. Motor kazanımlarının Manipülasyon
   Not: Bu durum, manipülasyon robotun translasyon ve rotasyon hızı değiştirir. Asimetrik motorlu kazançlar böcekler yanlılık ¹⁷ telafi nasıl araştırmak için kullanılabilecek bir dönüm önyargı oluşturmak.
   1. Düzenleyerek th tarafından ileri ve her tarafta ¹⁷ (Şekil 6B) üzerine motorun geriye dönüş için dönme kazanımlar tanımlayıne yapılandırma dosyası bir metin düzenleyicisi kullanarak "param2.txt" adını verdi.
   2. yazılım programında düzenlenmiş yapılandırma dosyasını okumak için "set PARAM2" üzerine tıklayın. Sonra, robot manipüle kazanımları göndermek için "drivemode2" üzerine tıklayın.
2. Motor çıkış inversiyon
   Not: Bu manipülasyon ikili koku giriş ters benzer bir koşul sağlar (adım 6.4) ve bilateral olfaction önemini araştırmak için kullanılabilir. Fakat motor çıkış inversiyon da onboard güve kendine bağlı görsel hareketi tersine çevirir. Ters kendine bağlı görsel giriş etkisi ters koku giriş ¹⁹ ile bir karşılaştırma ile değerlendirilebilir.
   1. Her motor için kumanda kabloları geçerek ikili motor kontrolü ters çevirin.
3. Böcek hareketlilik ve robot hareketi arasındaki zaman gecikmesi manipülasyon.
   Not: Bu manipülasyonuRobotik koku takibi için duyusal-motor işleme harcanan zaman kabul edilebilir bir süre incelenmesi için izin verir. mikro bir tampon belleğe hareket verilerini depolayan ve sonra belirtilen süre geçtikten sonra işler. Robot 200 msn maksimum iç zaman gecikmesi olduğunu unutmayın; Bu nedenle, gerçek zaman gecikmesi belirtilen zaman gecikmesi artı 200 msn ^16,17 olması bekleniyor.
   1. ana pencerenin küçük bir kutu giriş (0-10) bir sayı 100-msn adımlarda 0-1.000 msn'den bir gecikme süresini belirtmek için.
   2. zaman gecikmesi uygulamak için "set gecikme" butonuna tıklayın.
4. koku giriş Manipülasyon.
   Not: Bu manipülasyon ikili koku girdi önemini araştırmak için kullanılabilir. Silkmoths bir dalgalanma yönü yüksek konsantrasyon tarafına ²² taraflıdır.
   1. emme borusu uçları arasındaki boşluğu değiştirmek veya değiştirmek için konumlarını tersher bir anten tarafından alınan koku konsantrasyonu farkı.
5. Görsel giriş Manipülasyon
   Not: Bu manipülasyon koku takibi için görsel girdi rolünü araştırmaktır.
   1. sırasıyla, onboard güve yatay ve dikey görme alanı 105 ° ve 90 ° tıkar bir beyaz kağıt ile gölgelik örtün.

Sonuçlar

Biz burada bir koku kaynağının başarılı lokalizasyonu için gerekli olan böcek kontrollü robotun temel özelliklerini sunuyoruz. robot ve silkmoths, koku verme sisteminin etkinliği ve doğru ikili koku alma ve görsel verilerin önemini karşılaştırılması incelenmiştir.

Özgürce yürüyüş kelebekler ve böcek kontrollü robot arasındaki koku izleme davranışları karşılaştırılması Şekil 10A

Tartışmalar

Bir silkmoth tarafından robotun başarılı bir şekilde kontrol için en önemli noktalar güve hava destekli topa düzgün yürümek izin ve stabil topun dönmesi ölçme. Bu nedenle, silkmoth tethering ve uygun pozisyonda topa üzerine monte Bu protokol kritik adımlar vardır. eki ya da topa güve uygunsuz konumlandırılması güve uygunsuz yapışma normal yürüme davranışını bozan ve / veya topun dönmesi ölçmek için optik sensör bir başarısızlık nedenleri üzerinde doğal olmayan baskı, neden olac...

Malzemeler

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.