Insekt gesteuerte Roboter: Ein mobiler Roboter-Plattform, die geruchs Tracking-Fähigkeit eines Insekts zur Bewertung

Die Fähigkeit, eine Geruchsquelle zu lokalisieren, ist für Insekten Überleben notwendig und wird voraussichtlich künstlichen geruchs Tracking anwendbar. Das Insekt gesteuerte Roboter wird von einem tatsächlichen silkmoth angetrieben und ermöglicht es uns, die geruchs Tracking-Fähigkeit von Insekten durch eine Roboterplattform zu bewerten.

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.

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.

1. Versuchstier

1. Bereiten Sie eine Kunststoff - Box die Puppen der männlichen silkmoths (B. mori) bis zu ihrem Schlüpfen zu halten. Legen Sie Papiertücher an der Unterseite und Stücke Pappe um die Innenwand des Gehäuses (1A).
   Hinweis: Die Kartonstücke notwendig sind für die erwachsenen Motten zu halten , während ihre Flügel erstreckt während Schlüpfen (1A).
2. Setzen männlich silkmoth (Bombyx mor i) pupae in das Feld ein und halten sie in einem Inkubator bis Schlüpfen unter einem 16-h: 8-Stunden Licht: Dunkel - Zyklus bei 25 ° C.
   HINWEIS: Die männlichen und weiblichen pupae kann durch den Geschlechts Markierungen auf dem Bauch (1B) unterschieden werden.
3. Sammeln erwachsenen männlichen Motten nach dem Schlüpfen und verschieben Sie sie in ein neues Feld.
4. Halten Sie die Falter in einem Inkubator unter einer 16-h: 8-Stunden Licht: Dunkel-Zyklus und verringern Sie die Temperatur auf 15 ° C ihre Aktivität vor dem Experiment zu reduzieren.

2. Tethering ein Silkmoth

1. Herstellung eines Aufsatzes für Anbinden (2A)
   Hinweis: Die Befestigung besteht aus einem Kupferdraht mit einem Streifen aus einem dünnen Kunststoffblatt an seiner Spitze. Dies gewährleistet die dorsal-ventral Bewegung des Brustkorbs beim Gehen (2B).
   1. Bereiten Sie einen Streifen aus einem dünnen Plastikfolie, 2 × 40 mm (Dicke: 0,1 mm), und falten Sie es in der Mitte.
   2. Bringen Sie den gefalteten Streifen an der Spitze eines Kupferdraht mit einem Klebstoff.
   3. Biegen Sie die Spitze des gefalteten Streifens, wo der Thorax eines silkmoth angebracht ist.
2. Verwenden Falter (2-8 Tage alt) während der Lichtperiode für das Experiment.
   Anmerkung: Die Empfindlichkeit gegenüber dem Pheromon hängt stark von der zirkadianen Uhr ^18. Weil B. mori eine tagaktive Nachtfalter ist, muss das Experiment während der Lichtperiode durchgeführt werden.
3. Entfernen Sie vorsichtig alle Skalen auf der dorsal Thorax (mesonotum) ein Stück nasses Gewebe (oder Wattestäbchen) und setzen die Kutikula der mesonotum (2C) verwendet wird .
4. Fügen Sie einen Klebstoff auf dem Streifen aus Kunststoff auf der Anlage und auf der Oberfläche des freiliegenden mesonotum mit einem kleinen Schlitzschraubendreher und warten 5-10 Minuten, bis der Kleber nicht mehr klebrig.
   Hinweis: Der Klebstoff nicht die Flügelscharnier oder die forewing tegulae (Abbildung 2C) berühren.
5. Bindung, die die mesonotum zur Befestigung.
6. Halten Sie die moth gebunden, bevor sie im Cockpit des Roboters platziert. Halten Sie die Befestigung auf einem Stativ und legte ein Stück Papier unter den Beinen der Falter ruhen.

3. Insektengesteuerte Roboter

1. Entwerfen Sie die Hardware des Insekts gesteuerten Roboter auf der Grundlage früherer Arbeiten ^16,17,19.
   Hinweis: Das Insekt gesteuerten Roboter besteht aus einem luftgestützten Laufband mit einer optischen Maus Sensor capture das Insekt Fortbewegung, custom-built AVR-basierte Mikrocontroller - Boards für die Verarbeitung und Motorsteuerung sowie zwei DC Brushless - Motoren (3 und 4). Der Roboter kann mit 96% Genauigkeit oder höher ist, innerhalb einer Zeitverzögerung von 200 msec auf der Basis der Kugeldrehung auszuführen. Es sorgt auch für die Mobilität der maximalen Vorwärtsgeschwindigkeit (24,8 mm / sec) und die Winkelgeschwindigkeit (96,3 ° / sec) des silkmoth während Pheromon Nachführverhalten ^16. Der Luftstrom der Tretmühle (5A) und Geruchsabgabesystem (5B) sind für die Onboard - Motte auf den Ball zu gehen reibungslos und einen Geruch von zwei Antennen zu erwerben. Der Lufteinlass und Strömungskanal des Laufbandes von denen des Geruchsabgabesystem getrennt Kontamination des Pheromons zu vermeiden.
2. Entwerfen Sie die Software für die Onboard - Mikrocontroller basiert auf früheren Arbeiten ^16.
   Hinweis: Die integrierte Mikrocontroller berechnet ter Roboterbewegungen von der Insekten Lokomotion mit einem optischen Sensor gemessen wird (Rotations, Δ x; Translations, Δ y; 6). Die Distanz (Δ L) und Drehwinkel (Δθ) pro Zeiteinheit des Roboters auf der Grundlage der Entfernung von jedem Rad berechnet (links, Δ L _L, rechts, Δ L _R) wie Δ L = (Δ L _L + Δ L _R) / 2 und Δθ = (Δ L _L - Δ L _R) / D _Rad, wobei D _Rad ist der Abstand zwischen den beiden Rädern (120 mm). Δ L _L und Δ L _R werden weiter als Δ L _L beschriebenen = Δ L _{x, L} + Δ L _{y, L} und Δ L _R = Δ L _{x, R} + Δ L _{y, R,} wobei Δ L _{x, L <}/ sub> und L _{x Δ, R} die Wegstrecken der Räder auf der linken und rechten Seite gesteuert durch Δ x und Δ _{y L, L} und L Δ _{y sind,} sind diejenigen , die durch _R Δ y gesteuert. Idealerweise Δ L _{x, L} und Δ L _{x, R} wie Δ L _{x, L} = -Δ L _{x, R} = G Δ x (D _Rad / D - _Ball) und Δ L _{y, L} und Δ L _y beschrieben _{, R} sind als Δ L _{y, L} = Δ L _{y, R} = G Δ y beschrieben ist , wobei G die Motorverstärkung und D _Kugel ist , ist der Durchmesser der Kugel (50 mm). In der Praxis wird die Motorverstärkung von jeder Seite (links oder rechts Rad) und jede Richtung (Vorwärts- oder Rückwärtsdrehung) unabhängig eingestellt, um die Roboterbewegung zu kalibrieren. Die unabhängige Verstärkungen lassen weiter für dieEinstellung von asymmetrischen Motordrehung eine Dreh Vorspannung des Roboters zu erzeugen (siehe Schritt 6.1).
3. Waschen Sie die Oberfläche eines weißen expandiertem Polystyrol Kugel (Masse: ca. 2 g, Durchmesser: 50 mm) mit Wasser mögliche Geruchs oder visuelle Hinweise zu entfernen.
   Hinweis: Die Oberfläche eines Balles sollte mit feinem Schleifpapier, wie P400 aufgeraut werden, was den Griff der Beine auf den Ball sicher.
4. Schalten Sie das Gebläse , die Luft bei 9 V zu dem Laufband und schwimmt die Kugel (5A) liefert. Beachten Sie die Kugel schweben etwa 2 mm vom Boden des Bechers.
5. Mit Hilfe einer Schraube, befestigen Sie den Kupferdraht der Anlage mit dem Falter (siehe Schritt 2) an einer Halterung im Cockpit des Roboters (Abbildung 3 Einsatz sehen). Stellen Sie sicher , dass die Position der Mittelschenkel in der Mitte der Kugel (7A) ist.
6. Stellen Sie die vertikale Position der Befestigung der Motte zu ermöglichen, die üblicherweise auf dem b zu gehenalle. Halten Sie den Ball auf gleicher Höhe vor und nach dem Motte (7B) zu befestigen.
   Hinweis: Eine zu niedrige Position des Befestigungsdruck auf die Motte fügt hinzu und entlockt rückwärts zu Fuß den Druck (7C) zu widerstehen, während eine zu hohe Position instabil zu Fuß und Ausfälle des Sensors verursacht aufgrund von Änderungen in der vertikalen Position die Kugel (Abbildung 7D). Um den normalen Laufverhalten zu überprüfen, ein Single-paffte Pheromon Stimulus verwendet wird auszulösen in der Motte zu Fuß (für den Pheromon Reiz, siehe Schritt 4). Beachten Sie, dass der Testreiz minimal sein muss, weil frühere Exposition zu Bombykol gewöhnt silkmoths und verringert ihre Empfindlichkeit (Matsuyama und Kanzaki, nicht veröffentlichte Daten).

4. Geruchsquelle Vorbereitung

Hinweis: männlich B. mori an die Hauptkomponente des conspecific Pheromon weiblichen Geschlechts empfindlich sind (Bombykol: (E, Z) -10,12-hexadecadien-1-ol) 20. Jede Verunreinigung der experimentellen Ausrüstung mit Bombykol entlockt den Geruch Verfolgungsverhalten und wirkt sich auf die Reaktionsfähigkeit der Motte.

1. Drop 10 ul der Bombykol Lösung gelöst in n-Hexan (200 ng / & mgr; l) auf einem Stück Filterpapier (etwa 10 mm × 10 mm). Die Menge an Bombykol pro Stück Filterpapier ist 2000 ng.
   Hinweis: ein Pheromon Stimulus Patrone in diesem Schritt die normale Laufverhalten der Motte zu überprüfen, vorzubereiten. Die Patrone ist ein Glaspasteurpipette mit einem Stück Filterpapier, enthaltend 2,000 ng Bombykol. Schieben einer Glühlampe bläht die Luft, die Bombykol.

5. Geruchslokalisation Experiment

1. Schalten Sie den Ventilator einer Zieh-Luft-Art Windkanal (1.800 × 900 × 300 mm, L × B × H; 8) und stellen Sie die Windgeschwindigkeit auf 0,7 m / sec. Sicherzustellen, dass die Temperatur mehr als 20 ° C ist.
2. Stellen Sie die Geruchsquelle (die pIECE aus Filterpapier enthält Bombykol) vor dem Windkanal.
   Hinweis: Die plume Breite sollte durch Verwendung von TiCl ₄ ^17,19 vor dem Experiment bestätigt werden.
3. Schalten Sie den Mikrocontroller-Board des Roboters und stellen Sie eine serielle Verbindung zu einem PC über Bluetooth.
4. Starten Sie eine maßgeschneiderte Java-Programm namens "Biosignalverarbeitung", die eine Schnittstelle zwischen dem PC und dem Roboter zur Verfügung stellt.
   Hinweis: Das Hauptfenster enthält Tasten für Befehle an den Roboter, Textfenster zum Anzeigen der Ein- und Ausgabe der seriellen Kommunikation zu senden, und kleine Boxen Parameter zu konfigurieren. Die nachfolgenden Befehle werden durch Klicken auf entsprechende Schaltflächen in diesem Programm gesendet, mit Ausnahme der Videoaufnahme.
5. Klicken Sie auf das "über Gerät", um die Verbindung zu bestätigen, indem Sie einen Befehl an den Roboter über den angegebenen COM-Port zu senden und prüfen, ob eine Nachricht vom Roboter zurückgeführt wird.
6. Klicken Sie auf das "Memory Lösch "Taste vorherige Bewegungsdaten auf dem internen Flash-Speicher links zu löschen.
7. Klicken Sie auf den "drivemode1", um die Standard-Motor gewinnt an den Roboter zu senden.
   Hinweis: Die Manipulationen der Motor Gewinne und die Zeitverzögerung zwischen Insekten Lokomotion und Roboterbewegung sind nach diesem Schritt angewendet (siehe Schritte 6.1 und 6.3, Abbildung 9).
8. Klicken Sie auf das "nicht fahren", um einen Befehl zu senden, um den Roboter zu immobilisieren, bis das Experiment beginnt.
9. Setzen Sie den Roboter an einer Startposition (600 mm hinter der Geruchsquelle) und schalten Sie den Schalter des Motortreiberplatine.
10. Drücken Sie die Aufnahmetaste des Camcorders Video-Capture zu starten.
11. Klicken Sie auf den "Aufnahmestart", um einen Startbefehl zu senden, um den Roboter mit einer gleichzeitigen Aufnahme der Kugeldrehung auf dem internen Flash-Speicher zu initiieren. Beachten Sie, dass der Roboter zu bewegen beginnt und verfolgt die Geruchsfahne.
12. Klicken Sie auf"Rec stop" und "nicht fahren" Tasten Befehle zu senden, sowohl die Roboterbewegung und die Aufnahme zu stoppen, wenn der Roboter die Geruchsquelle lokalisiert.
13. Drücken Sie die Aufnahmetaste des Camcorders Video-Capture zu stoppen.
14. Herunterladen aufgezeichnet Bewegungsdaten aus dem integrierten Flash-Speicher an den Computer über eine serielle Verbindung. Schließe das Programm.

6. Manipulation des Insektengesteuerten Roboter

Anmerkung: Der Zeitpunkt jeder Manipulation ist in Figur 9 angedeutet ist .

1. Manipulation des Motors gewinnt
   Anmerkung: Diese Manipulation ändert die Translations- und Rotationsgeschwindigkeit des Roboters. Asymmetrische Motor Gewinne erzeugen eine Dreh Vorspannung, die verwendet werden können , zu untersuchen , wie Insekten für die Vorspannung ¹⁷ kompensieren.
   1. Definieren die Dreh Verstärkungen für Vorwärts- und Rückwärtsdrehung des Motors auf jeder Seite ¹⁷ (6B) und bearbeite tene-Konfigurationsdatei "param2.txt" mit einem Texteditor benannt.
   2. Klicken Sie auf das "set param2", um die bearbeitete Konfigurationsdatei in der Software lesen. Dann klicken Sie auf den "drivemode2", um die manipulierte Gewinne an den Roboter senden.
2. Inversion der Motorausgangs
   Anmerkung: Diese Manipulation stellt eine Bedingung ähnlich zu der Inversions bilateraler olfaktorischen Eingang (siehe Schritt 6.4) und können verwendet werden , die Bedeutung der bilateralen olfaction zu untersuchen. die Umkehrung der Motorleistung kehrt jedoch auch selbstinduzierte visuelle Bewegung eines Onboard-Motte. Die Auswirkungen der invertierte selbstinduzierte visuelle Eingabe ¹⁹ kann durch einen Vergleich mit dem invertierten Eingangs olfaktorischen ausgewertet werden.
   1. Kehren Sie die bilateralen Motorsteuerung durch die Steuerkabel überquert für jeden Motor.
3. Eine Manipulation der Zeitverzögerung zwischen Insekten Lokomotion und Roboterbewegung.
   Hinweis: Diese Manipulationermöglicht die Untersuchung der akzeptablen Zeitraums auf sensomotorische Verarbeitung für die Robotergeruchs Tracking ausgegeben. Der Mikrocontroller speichert die Bewegungsdaten auf einem Pufferspeicher, und verarbeitet sie nach der festgelegten Zeitverzögerung. Beachten Sie, dass der Roboter eine maximale interne Zeitverzögerung von 200 msec hat; Daher wird die tatsächliche Zeitverzögerung erwartet die spezifizierte Zeitverzögerung plus 200 msec ^16,17 sein.
   1. Geben Sie eine Nummer (0 bis 10) in einem kleinen Feld des Hauptfensters eine Zeitverzögerung von 0-1.000 ms bei 100 ms Schritten angeben.
   2. Klicken Sie auf die "set Verzögerung", um die Zeitverzögerung zu übernehmen.
4. Manipulation des olfaktorischen Input.
   Hinweis: Dieses Manipulation verwendet werden , um die Bedeutung der bilateralen olfaktorischen Input zu untersuchen. Der starke Anstieg Richtung silkmoths ist auf der höheren Konzentration Seite ²² vorgespannt ist .
   1. Ändern Sie den Abstand zwischen den Absaugschlauch Tipps oder ihre Positionen umkehren zu verändern, dieUnterschied in der Geruchsstoffkonzentration von jeder Antenne erfasst.
5. Manipulation von visuellen Input
   Hinweis: Diese Manipulation ist es, die Rolle der visuellen Input für die Geruchsverfolgung zu untersuchen.
   1. Decken Sie den Baldachin mit einem weißen Papier, das 105 ° und 90 ° von der horizontalen und vertikalen Sichtfeld des onboard Motte okkludiert sind.

Wir stellen hier die grundlegenden Eigenschaften des Insekts gesteuerten Roboter für die erfolgreiche Lokalisierung einer Geruchsquelle erforderlich. Der Vergleich zwischen dem Roboter und silkmoths, die Wirksamkeit der Geruchsabgabesystems, und die Bedeutung der genauen bilateralen olfaktorische und visuelle Eingänge untersucht.

Der Vergleich von geruchs Tracking - Verhalten zwischen frei-Walking Motten und das Insekt gesteuerte Roboter ist in 10A und B gezeigt. Unter den gleichen Geruch Umständen sowohl die Wander Motten und die Roboter erzielte Erfolgsquote von 100% (Fuß Motte, 10 Studien , die von N = 10 Motten, Roboter, 7 Studien mit N = 7 Motten). Obwohl der Roboter breiteren Bahnen im Vergleich zu denen der Wander Motten zeigten, gab es keinen signifikanten Unterschied in der Zeit , sich auf die Lokalisierung zwischen den Wander Motten und dem Roboter (P2; 0,05, Wilcoxon-Rangsummentest; Motte, Median = 46,5 sec, = IQR 36,7, 69,6; Roboter, Median = 48,1 sec, = IQR 44,9, 61,9).

Die Geruchsabgabesystem (5B) ist notwendig , um die Geruchsstoffströmung nahe dem Boden zu den Antennen des Bord Motte Versorgung 90 mm über dem Boden platziert. Ohne dieses System (Saugrohre, Lüfter und dem Vordach) könnte der Roboter nicht in Richtung auf die Geruchsquelle orientieren und weiter kreisen , bis er angehalten (alle 10 Versuche mit N = 5 Motten versagt, 10C). Nach programmiert silkmoth Verhalten ist eine kontinuierliche Umkreisen ein typisches Verhalten , wenn ein silkmoth während der Orientierung ^21,22 das Pheromon zu kontaktieren ausfällt.

Abbildung 11 zeigt die repräsentative Ergebnisse die Manipulationen des Roboters zeigt. Die Wirksamkeit eines bilateralen olfaktorischen Eingang für geruchs Tracking wurde evaluated, indem die Position der Rohrspitzen zu ändern (Schritt 6.4) oder durch die Motorausgangs Invertieren (Schritt 6.2). Der Roboter erreicht die Erfolgsraten von 100% mit zwei verschiedenen Lücken zwischen den linken und rechten Rohren (große Lücke [Steuerung], 90 mm, 10 Versuche von N = 10 Motten; schmaler Spalt, 20 mm, 10 Studien , die von N = 10 Motten; 11A, B), und es gab keinen signifikanten Unterschied in der Zeit , um die Lokalisierung zwischen diesen beiden Rohrpositionen (P> 0,05, Steel - Test; 11E). Auf der anderen Seite (erhielt jede Antenne das Odoriermittel von der Gegenseite, Rohrabstand = 90 mm), die Inversion von Rohrspitzen entlang der Seitenwindrichtung Trajektorien erweitert und leicht erhöht den Median der Zeit-Lokalisierung, obwohl es keinen signifikanten Unterschied ( P> 0,05, Steel - Test; 11C, E). Die Umkehrung der Motorausgangs stellt eine ähnliche Situation wie die invertierte olfactory-Eingang; Des Weiteren ist es invertiert auch die selbstinduzierte visuelle Bewegung durch den Bord Falter empfangen. Wegen der umgekehrten negativen visuelle Rückmeldung (dh positive Rückkopplung), der Roboter kreisen fortgesetzt, auch in der Geruchsfahne (11D), die erheblich die Zeit - Lokalisierung verlängert (P <0.01, Steel - Test; 11E). Die Erfolgsraten des invertierten olfaktorischen Eingang (C) und das invertierte Motorausgang (D) wurden 80% (10 Studien von N = 10 Motten) und 90,9% (11 Studien von 11 Motten), respectively. Eine ausführliche Diskussion der sensorisch-motorischen Kontrolle in silkmoths ist in der bisherigen Arbeit ¹⁹ beschrieben.

Abbildung 1. Das Speichern von silkmoth pupae. (A) Männliche Puppen sind in einer Kunststoff - Box (links) gespeichert. Die erwachsenen Motten halten die Pappe um die Innenwand des bOchse während Schlüpfen (rechts). (B) Sex Markierungen von Puppen. Jeder Pfeil zeigt einen kleinen Fleck auf der Bauchseite des neunten Abdominalsegment des männlichen und einem "X" mit einer feinen, Längslinie auf der Bauchseite des achten Abdominalsegment des Weibchens. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 2. eine silkmoth Tethering. (A) Herstellung eines Aufsatzes für eine silkmoth Anbinden. Die drei Schritte sind in 2.1.1 bis 2.1.3 (siehe Text) beschrieben. Eine zweifache Streifen aus dünnen Plastikfolie an der Spitze des Kupferdrahtes angebracht wurde, der die dorsalen-ventralen Bewegung absorbiert (siehe 2B) des mesonotum während des Gehens. Die andere, gebogene Spitze des Drahtes ist für handling. (B) Höhere und niedrigere Einstellung eines silkmoth während Pheromon - Tracking (siehe den Winkel zwischen Femur und Tibia der Vorderbeine [Pfeile]). (C) Entfernung der Schuppen auf der mesonotum (durch Pfeile gekennzeichnet). Die linken und rechten Bilder zeigen vor und nach der Entfernung von Schuppen sind. Die forewing tegulae intakt waren (durch gestrichelte Linien umgeben). Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 3. Insektengesteuerte Roboter. Der Einschub zeigt eine vergrößerte Ansicht des Cockpits. (1) Ein tethered silkmoth auf einem Laufband (ein luftgestützter Ball, siehe kleines Bild), (2) zwei Lüfter zum Zuführen eines Geruchs dem Motte (Luftgeschwindigkeit 0,5 m / s), (3) Saugrohre für die Aufnahme der Geruch, (4) Gleichstrommotoren und wheels, (5) Mikrocontroller-Boards, (6) ein Lufteinlassluft, um den Ball zur Zuführung (7) Tracking-Marker für die Offline-Videoanalysen (8) zwei LEDs konstante Beleuchtung im Cockpit (280 lx), zu halten (9 ein Anhang) für die silkmoth Anbindehaltung, und (10) eine Befestigung der Anlage. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 4. Hardware - Diagramm. Die Drehung des Tragluft Kugel in dem Laufband wurde mit einem optischen Maus-Sensor mit einer Auflösung von 0,254 mm bei einer Abtastrate von 1,5 kHz gemessen. Die Mikrocontroller die Flugbahn des silkmoth aus dem Sensorausgang und zwei gesteuerte Gleichstrommotoren auf der linken und der rechten Seite berechnet. Die Motoren wurden durch Pulsbreitenmodulation bei 1 kHz, mit Stellungsrückmeldung angetriebenvon integrierten Hall-Sensoren. Die optische Sensorausgang (dh Verhalten des onboard moth) wurde auf einem internen Flash - Speicher (8 Mbit) mit einer Abtastrate von 5 Hz gespeichert. Diese Daten wurden für den Vergleich des Verhaltens des Onboard-Motte mit Roboterbewegungen. Die drahtlose Kommunikation zwischen einem Computer (PC) und dem Roboter wurde über Bluetooth erreicht, die nur für das Senden von Befehlen verwendet wurde, zu starten und den Roboter zu stoppen, oder die Motoreigenschaften des Roboters zu manipulieren. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 5. Airflow Designs für das Laufband und dem Geruch Delivery - System. (A) Airflow den Ball aus dem Laufband zu unterstützen. Die Luft wurde aus dem Lufteinlass hinter dem Cockpit durch ein Gebläse fa genommenn; es floss dann durch einen Kanal und blies von kleinen Löchern aus (1 mm Durchmesser) auf einem maßgeschneiderten FRP Tasse (kleines Bild). Die Draufsicht auf den Becher von einem roten Rechteck umgeben ist in dem Einsatz gezeigt. Rote Pfeile zeigen Luftstrom; Der weiße Pfeil, der optische Sensor mit einer LED-Sender; und der schwarze Pfeil, die Tasse mit kleinen Löchern. (B) Der Luftstrom des Geruchsabgabesystems. Die Luft, die Pheromon enthält, wurde von der Spitze eines flexiblen Polyethylenrohr auf jeder Seite angesaugt, mit einer Trennwand in der Haube getrennt und an die Antenne auf der ipsilateralen Seite geliefert. Airflow auf jeder Seite wird durch rote oder blaue Pfeile gekennzeichnet. Diese Zahl wurde von Ando und Kanzaki modifiziert ^19. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 6. Berechnung der Roboterbewegung von Insektenfortbewegung. (A) Eine schematische Zeichnung des Roboters (Δ L) und Radbewegungen (links, Δ L _L und rechts, Δ L _R). Δθ, drehen Winkel des Roboters. (B) Die Parameter für die Berechnung. Δ x und Δ y die Rotations- und Translationsbewegungen eines Kugel repräsentieren (ein positiver Wert zeigt die im Uhrzeigersinn oder Vorwärtsrichtung); D _Ball, der Durchmesser der Kugel; D _Räder, wobei der Abstand zwischen den Rädern; G _{FW, L} und G _{BW, L,} Motor Gewinne von vorne (FW) oder rückwärts (BW) Drehung des linken Rades (L); G _{FW, R} und G _{BW, R,} Motor Gewinne von Vorwärts- oder Rückwärtsdrehung des rechten Rades (R). Bitte klicken siee eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 7. Die Einstellung der Position eines tethered Motte auf dem Laufband. (A) Die Seitenansicht eines tethered Motte auf einer Kugel. Die mittleren Beine sollten im oberen Bereich der Kugel (schwarzer Pfeil) platziert werden. (B) Die entsprechende vertikale Position der Motte. Der optische Sensor hinter dem Motte steht vor der Mitte der Kugel. Normaler Vorwärtslaufen dreht den Ball im Uhrzeigersinn (von der linken Seite aus gesehen). (C) Die vertikale Position zu niedrig ist (Pfeil nach unten). Die silkmoth erweitert die Vorderbeine den Druck zu widerstehen und dreht die Kugel nach hinten (Drehung gegen den Uhrzeigersinn). (D) Die vertikale Position zu hoch ist (Pfeil nach oben). Die Motte hält den Ball und hebt ihn auf. Obwohl die Motte in dieser Situation zu Fuß nach vorne durchführen können ²³ (Drehung im Uhrzeigersinn), hebt sie den Ball auf und verschiebt seine Position. Die vertikale Verschiebung der Kugelposition erhöht sich die Lücke zwischen der Kugel und dem optischen Sensor, der in einem Ausfall des Sensors Leseergebnisse. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 8. Windkanal. Die Luft wurde mit einem Mesh-Panel (roter Pfeil) gefiltert; es trat dann in den Aufnahmebereich eines Camcorders, 1500 (L) × 900 (W) mm. Die Geruchsquelle wurde stromaufwärts von dem Aufzeichnungsbereich angeordnet, und die Pheromon-kontaminierter Luft außerhalb durch einen Ventilator (blauer Pfeil) erschöpft. Der Windkanal wurde aus extrudiertem Polystyrolschaum. Die Decke war eine transparente Acrylplatte, und der Boden war eine Gummimatte Verrutschen der Roboter Räder zu vermeiden. Die Geruchsquelle wwie in der Mitte der Seitenwind Position und 250 mm in Windrichtung aus dem Mesh-Panel platziert. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 9. Timings von Manipulationen des Roboters in dem Protokoll. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 10. Geruchslokalisation Test. Jedes Panel zeigt die Flugbahnen der silkmoths (A; 10 Studien , die von N = 10 Motten; Daten von Ando et al . ^17), das Insekt Roboter ( B; 7 Studien von N = 7 Motten) und dem Roboter ohne Geruchsabgabesystem (C; 10 Studien von N = 5 Motten). Die Motten oder der Roboter gestartet 600 mm Abwind (Pfeilspitze) von einer Geruchsquelle (Kreuzmarkierung, ein Stück Filterpapier mit 2.000 ng Bombykol). Die Versuche mit dem kürzesten oder die längste Zeit für die Lokalisierung genommen werden als rote und blaue Linien angedeutet ist. Die anderen erfolgreichen Studien sind grau gefärbt, und gescheiterte Versuche sind grün. Ein Kreis zeigt den Torraum Erfolg bei der Lokalisierung für die Beurteilung. Der Radius des Torraum wurde auf der Basis der Größe des Roboters definiert ist , entspricht dem kürzesten Abstand zwischen dem onboard moth und der Geruchsquelle ^17. Ein Pfeil zeigt Windrichtung (Windgeschwindigkeit: 0,7 m / s), und gestrichelte Linien die Grenzen der Pheromonwolke anzeigen. Bitte klicken Sie hier ein , um zu vergrößernVersion dieser Figur.

Abbildung 11. Manipulation des olfaktorischen Input und die Motorleistung. Jedes Panel zeigt erfolgreiche Flugbahnen des Roboters (der Position der an Bord moth) mit einem Breitrohrspalt (A, Kontrolle, 90 mm, erfolgreich in allen 10 Versuchen mit N = 10 Motten), ein schmaler Spalt (B; 20 mm , erfolgreich in allen 10 Versuchen mit N = 10 Motten), einem umgekehrten Breitrohrspalt (C; erfolgreich in 8 von 10 Versuchen, N = 10 Motten), und eine breite Rohrspalt mit invertierten Motorausgang (D; erfolgreich 10 von 11 Versuchen, = N 11 Motten). Die repetitiven Luft bläht durch ein Stück Filterpapier enthält 2.000 ng Bombykol wurden aus dem Kreuzzeichen freigegeben. Die grauen und weißen Pfeile mit dem Roboter zeigen die Orientierungen der bilateralen olfaktorischen Input und motor Ausgang. Die anderen experimentellen Bedingungen und Figurenbeschreibungen sind die gleichen wie in 10. (E) Zeit bis zur Lokalisierung des Roboters unter den vier Bedingungen (AD). Individuelle Daten werden in einer Box-Plot zusammengefasst. Die linken und rechten Seite der Box zeigen die erste und dritte Quartil und die Balken stellt den Median. Die Whisker zeigen die 1,5 × Quartilsabstand. Sternchen zeigen einen signifikanten Unterschied von den Steuerdaten (A) gemäß Stahl-Test (** P <0,01). Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Die wichtigsten Punkte für die erfolgreiche Steuerung des Roboters durch eine silkmoth einlassen die Motte auf dem luftgestützten Ball laufen reibungslos und stabil die Kugeldrehung zu messen. Daher ist die silkmoth Anbinden und es auf der Kugel an der entsprechenden Position sind die kritischsten Schritte in diesem Protokoll Montage. Unangemessen Haftung der Motte auf die Befestigung oder ungeeigneten Positionierung der Motte auf den Ball wird unnatürliche Druck verursachen auf sie, das Verhalten seiner normalen Gehen stört und / oder verursacht einen Fehler des optischen Sensors die Kugeldrehung zu messen. die Styroporkugel Aufrauen ist auch wichtig, die Motte zu verhindern ein Verrutschen. Die Fortbewegung des tethered Motte als Reaktion Stimuli Geruch und die anschließende Roboterbewegung sorgfältig vor dem geruchs Tracking-Test überprüft werden soll (siehe Schritt 3.6).

Die Verwendung einer größeren Kugel ist besser, weil es die Krümmung des Laufbandes abnimmt, was eine nahezu liefertflache Ebene für die Insektenbeine. Der 50 mm Durchmesser Kugel hier verwendet wird , ist relativ klein im Vergleich zu der in dem herkömmlichen Laufband - Setup verwendet für silkmoths (Durchmesser: 75 mm) ^24. Jedoch eine größere (und schwerer) Ball muss mit Vorsicht verwendet werden, da die Trägheit der Kugel nicht vernachlässigbar bei Roboterbewegungen ist. Wenn ein Onboard-Motte nicht die Trägheitskraft-induzierte Rotation einer Kugel während Roboterbewegungen durch seine Beine zurückhalten kann, schwingt der Roboter kontinuierlich ohne zu Fuß durch die Motte. Wenn Experimentatoren die Verwendung von anderen Insektenarten zu prüfen, daher sollte die Kugelgröße auf der Grundlage der Stärke ihrer Schenkelgriffe sowie deren Größen ausgewählt werden. Während Geruchslokalisation, Experimentatoren sollte auch das Verhalten des überprüfen Motten, ob ein Onboard-Motte geht glatt auf den Ball und der Roboter reagiert schnell wie die Motte bewegt. Die silkmoth rückwärts zu Fuß aufweist, wenn es zu viel Druck aus der Anlage empfängt (eine zu niedrige Position finden Abbildung 7) und sich wiederholende Bewegungen der Vorderbeine , wenn sie auf den Ball rutschen oder ein Objekt (wie zB die Partition vor dem Kopf, 5B) berühren. Schlechte Ansprechverhalten des Roboters auf Insektenfortbewegung ist aufgrund unangemessener Ballposition oder die Erschöpfung der Batterien (die Batterien zuletzt für ca. 30 min).

Die Begrenzung des Insekts gesteuerten Roboter ist, dass die an Bord moth definitiv unter unnatürliche Umständen befindet. Das Laufband, der Geruch Abgabesystem und die 90-mm Höhe des Cockpits bieten verschiedene sensorische Informationen (mechanosensorischen, olfaktorischen und visuellen) von den durch frei-Walking Motten erworben. Diese Unterschiede wurden deutlich, wenn wir das Verhalten der Insekten gesteuerten Roboter mit denen frei zu Fuß silkmoths verglichen. Obwohl beispielsweise die gleiche Leistung für die Geruchsquellenlokalisierung zwischen dem Roboter und frei-walking silkmoths beobachtet wurde, die Laufbahnen der robot waren spärlich entlang der Seitenwindrichtung, während jene des frei-walking silkmoths konvergiert , da sie die Geruchsquelle erreicht, entsprechend der Abnahme der plume Breite (10A, B). Dieser Unterschied ist einfach aufgrund der unterschiedlichen Größen des Roboters und Motten. Insbesondere bestimmt der Abstand zwischen dem Bord Motten und der Rohrspitze den Bereich Riechstoffe für die Suche; Daher ist der größere Abstand (robot: 100 mm; moth: ca. 10 mm aus dem Thorax an die Antennenspitze) ermöglichen, den Roboter auch außerhalb der Wolke zu aktivieren. Darüber hinaus kann die Motte in der Haube nicht die Windrichtung von der äußeren Umgebung erhalten. Obwohl die Bedeutung der Windrichtung für geruchs Tracking noch nicht ²² in silkmoths bestimmt worden ist , ist die Verwendung von Strömungsrichtung eine grundlegende Strategie für geruchs Tracking in anderen Organismen ^5,6. Wegen der auferlegten Luftströmung durch den Geruchsabgabesystem erzeugt wird, ist es auch schwierig,für "Active Sensing" , zu berücksichtigen , wie die Wirkung von Flügelschlagen , die den Luftstrom und erleichtert Geruch Empfang in silkmoths ²⁵ erzeugt. Aufgrund dieser Einschränkungen, wenn Experimentatoren diese Technik verwenden , um die Verwendung von mehreren Modalitäten zu erkunden, sollte es behandelt werden , ob die durch diese Roboter Experimenten erhaltenen Ergebnisse können ¹⁹ bis intakten Insekten in natürlichen Bedingungen angewendet werden.

Das Insekt gesteuerte Roboter erfüllt drei Anforderungen für die Beurteilung des Geruchs-Tracking-Fähigkeit von Insekten: 1) den direkten Anschluss von Insektenmotorsteuerbefehle an Roboter, 2) Prüfung in einem echten Geruch plume und 3) ermöglicht die Manipulation der Insekts sensomotorische System. Zuerst in Bezug auf die Grenzfläche zwischen einer Insekten- und einem Roboter, die Verwendung der neuralen Signale zur Steuerung eines Roboters, beispielsweise ein Gehirn-Maschine - Schnittstelle ²⁶ ist eine alternative Technik. Mehrere Studien von Insekten verwenden neuronale Signale oder Elektromyogrammen für control eines Roboters und einer geschlossenen Rückkopplungsschleifen ^27-30. Allerdings erfordert dieser Ansatz die Dekodierung neuronaler Signale sinnvolle Motor Befehle zu extrahieren, die eine wichtige und laufende Forschungsthema in der Neurowissenschaft ist. Daher ist die Verwendung der tatsächlichen Laufverhalten von Insekten für die Robotersteuerung eine direkte und einfache Weise, den Insektenmotorbefehle an einen Roboter zu verbinden. Zweitens, in Bezug auf die Umgebung , in der der Roboter verhält, würde die Verwendung von virtueller Realität eine alternative ^13,31-33 sein. Virtuelle Realität ermöglicht es uns , Verhaltensexperimente unter kontrollierter Situationen zu führen und ist dann am erfolgreichsten in der Studie der Vision, wo die luftgestützte Laufband ^24,34-36 für die Verfolgung von Fortbewegung und die Erzeugung von visuellen Umständen verwendet wurde. Allerdings ist das Schließen des Rückkopplungsschleife von Geruchsinformation technisch schwierig, weil es präzise Flusskontrolle erfordert. Obwohl die Anwendung von Optogenetik Geruchsrezeptor n zu aktiviereneurons ^37-40 werden die Grenzen der virtuellen Realität in olfaction, ist die Verwendung eines mobilen Roboters in einer realen Geruch plume wäre eine zuverlässige Art und Weise zu etablieren eine olfaktorische Closed - Loop zur Zeit überwinden. Was schließlich die Manipulation eines sensorisch-motorischen System des Insekts, würde alternative Ansätze chirurgische Manipulationen der Insekten (dh Schneiden oder Abdecken Sinnesorgane oder Anhängsel ^41). Jedoch unsere Robotermanipulation (Schritt 6 und 11) ist eine nicht-invasive und reversible Weise , die sensorisch-motorischen Systems von Insekten, durch die Manipulation der Roboterplattform ¹⁹ und die Steuerbarkeit der verschiedenen Parameter des Roboters ermöglicht , erreicht zu verändern uns seine Leistung unter verschiedenen Umständen zu testen.

Das Insekt gesteuerte Roboter verfügt über zwei Hauptrichtungen für zukünftige Anwendungen. Die erste Richtung ist für den Maschinenbau. Als autonome Roboter durch das Insekt sensomotorischen System gesteuert, das insect gesteuerte Roboter wird eine Referenz für mobile Roboter mit biologischen Modellen umgesetzt werden, angefangen von vereinfachten Braitenberg Fahrzeuge ⁴² bis große neuronale Netze. Das Insekt-Roboter wird auch eine nützliche Plattform zum Testen von möglichen Kombinationen von anderen Modalitäten mit Insektengeruchs tracking, wie die Umsetzung einer Kamera und einen Algorithmus zur Kollisionsvermeidung kollisionsfreien geruchsVerfolgungsAlgorithmen zu erkunden. Des Weiteren Feinabstimmung der Robotereigenschaften können die geruchsVerfolgungsLeistung besser als intakte Insekten verbessern. Solche Übersetzung des Insekts Fähigkeit zur praktischen Verwendung dieser Roboter selbst für die Suche nach gefährlichen Materialien führen könnte, wenn man die transgenen silkmoths ⁴³ nachahmen, die auf charakteristische Chemikalien in einem Zielmaterial reagieren. Auf der anderen Seite, das Insekt gesteuerte Roboter wird auch eine wichtige Frage auf: Wie sollen wir biomimetische Algorithmen für Roboteranwendungen verwenden, die über die verschie erweiternrenz zwischen Insekten und Roboter? Zum Beispiel Insektengeruchsrezeptoren haben eine hervorragende Fähigkeit , High-Speed - zeitliche Dynamik der Geruchsstoffkonzentration ^44-46, zu erwerben , die für Insektengeruchsverarbeitung und Geruchslokalisation verantwortlich ist, aber sie sind weit über die Möglichkeiten herkömmlicher Gassensoren ^{4,29, 47.} Wie die biomimetische Algorithmus zu modifizieren, um die sensorische Fähigkeit der Roboter auch als zukünftige Richtung erkundet werden sollte gerecht zu werden. Der andere wichtige Richtung ist auf jeden Fall für die Biologie. Das Insekt-Roboter kann als geschlossener Schleife experimentelle Plattform angesehen werden. Darüber hinaus Robotermanipulation, eine nicht-invasive Art und Weise den Insekten sensomotorischen Beziehung zu verändern, wird weiter, wie das kleine Insekt Gehirn zu untersuchen, angewendet reagieren, zu lernen und an neue Gegebenheiten anzupassen.

The authors have nothing to disclose.

We thank Shigeru Matsuyama for providing purified bombykol. This work was supported by the Japan Society for the Promotion of Science KAKENHI (grant numbers 22700197 and 24650090) and the Human Frontier Science Program (HFSP).