Name: insect-controlled robot: a mobile robot platform to evaluate the odor-tracking capability of an insect
Uploaded: 2016-12-19T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min
Description: Watch this Scientific Journal Video about Insect-controlled Robot: A Mobile Robot Platform to Evaluate the Odor-tracking Capability of an Insect at JoVE.com

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).

1. sperimentali animali <ol><li> Preparare una scatola di plastica per mantenere le pupe di silkmoths maschi (B. mori) fino alla loro eclosion. Asciugamani mettere la carta in basso e pezzi di cartone intorno alla parete interna della scatola (Figura 1A). Nota: I pezzi di cartone sono necessarie per le falene adulte per tenere mentre si estende le ali durante eclosion (Figura 1A). </li><li> Mettere silkmoth maschio (Bombyx mor i) pupe nella casella e tenerli in un incubatore fino eclosion sotto di 16 ore: la luce di 8 ore: ciclo di buio a 25 ° C. NOTA: Il maschio e la femmina pupe possono essere discriminati dalle marcature sesso sull&#39;addome (Figura 1B). </li><li> Raccogliere falene maschi adulti dopo eclosion e spostarli in una nuova scatola. </li><li> Tenere le falene adulte in un incubatore con un 16-hr: luce di 8 ore: ciclo scuro e diminuire la temperatura a 15 ° C per ridurre la loro attività prima dell&#39;esperimento. </li></ol> 2. Tethering un Silkmoth <ol><li> Realizzazione di un attacco per tethering (Figura 2A) Nota: Il fissaggio è costituito da un filo di rame con una striscia di un sottile foglio di plastica in punta. Ciò garantisce il movimento dorso-ventrale del torace durante la deambulazione (Figura 2B). <ol><li> Preparare una striscia di un sottile foglio di plastica, 2 × 40 mm (spessore: 0,1 mm), e piegarlo a metà. </li><li> Fissare la striscia ripiegata alla punta di un filo di rame con un adesivo. </li><li> Piegate la punta della striscia piegata a cui è collegato il torace di un silkmoth. </li></ol></li><li> Utilizzare falene adulte (2-8 giorni) durante il periodo di luce per l&#39;esperimento. Nota: La sensibilità al feromone dipende fortemente l&#39;orologio circadiano 18. Perché B. mori è un lepidottero diurno, l&#39;esperimento deve essere eseguita durante il periodo di luce. </li><li> Rimuovere delicatamente tutte le scale sul dorsal torace (mesonoto) con un pezzo di tessuto bagnato (o un batuffolo di cotone) ed esporre la cuticola del mesonoto (Figura 2C). </li><li> Incollare un adesivo sulla striscia di plastica sulla attaccamento e sulla superficie del mesonoto esposta con un piccolo cacciavite a lama piatta e attendere 5-10 minuti finché l&#39;adesivo non è più appiccicoso. Nota: L&#39;adesivo non deve toccare la cerniera ala o la tegulae forewing (Figura 2C). </li><li> Legare la mesonoto per l&#39;allegato. </li><li> Mantenere la falena legato prima di inserirlo all&#39;interno della cabina di pilotaggio del robot. Tenere il fissaggio su un supporto e mettere un pezzo di carta sotto le gambe di riposare la falena. </li></ol> 3. Robot Insect-controllato <ol><li> Progettare l&#39;hardware del robot insetto controllato sulla base di lavori precedenti 16,17,19. Nota: Il robot insetto controllato costituito da un tapis roulant gonfiabile con un sensore ottico mouse per Capture l&#39;insetto locomozione, schede a microcontrollore AVR basato personalizzate per elaborazione e controllo del motore, e due motori brushless DC (Figure 3 e 4). Il robot può essere eseguito sulla base della rotazione palla 96% precisione o superiore, entro un intervallo di tempo di 200 msec. Esso assicura anche la mobilità di massima velocità di avanzamento (24.8 mm / sec) e la velocità angolare (96,3 ° / sec) della silkmoth durante feromone comportamento di inseguimento 16. Il flusso d&#39;aria del tapis roulant (Figura 5A) e sistema di erogazione degli odori (Figura 5B) sono progettati per la falena a bordo di camminare agevolmente sulla palla e di acquisire un odore da due antenne. Il canale di aspirazione e il flusso del tapis roulant è separato da quelli del sistema di erogazione odore per evitare la contaminazione del feromone. </li><li> Progettare il software per i microcontrollori a bordo sulla base di lavori precedenti 16. Nota: Il microcontrollore a bordo calcola tegli movimenti del robot della locomozione insetto misurata con un sensore ottico (rotazionale, Δ x; traslazionale, Δ y; figura 6). La distanza percorsa (Δ L) e ruotare angolo (Δθ) per unità di tempo del robot sono calcolati sulla base della distanza percorsa di ciascuna ruota (sinistra, Δ L L; destra, Δ L R) come Δ L = (Δ L L + Δ L R) / 2 e Δθ = (Δ L L - Δ L R) / rotella D, dove ruota D è la distanza tra le due ruote (120 mm). Δ L L e Δ L R sono ulteriormente descritti come Δ L L = Δ L x, L + Δ L y, L e Δ L R = Δ L x, R + Y, R, dove Δ L x, L &lt;Δ L/ sub&gt; e Δ L x, R sono le distanze di viaggio delle ruote sui lati sinistro e destro controllati da Δ x e Δ L y, L e Δ L y, R sono quelle controllate dalla Δ y. Idealmente, Δ L x, L e Δ L x, R sono descritti come Δ L x, L = -Δ L x, R = G Δ x (ruota D / D palla), e Δ L y, L e Δ L y , R sono descritti come Δ L y, L = Δ L y, R = G Δ y, dove G è il guadagno del motore e palla D è il diametro della sfera (50 mm). In pratica, il guadagno motore viene impostata indipendentemente da ciascun lato (ruota sinistra o destra) e ciascuna direzione (rotazione in avanti o indietro) per calibrare il movimento del robot. I guadagni indipendenti ulteriormente consentono laimpostazione di rotazione del motore asimmetrica per generare una polarizzazione rotazione del robot (vedere la fase 6.1). </li><li> Lavare la superficie di una sfera bianca polistirolo espanso (massa: circa 2 g, diametro: 50 mm) con acqua per rimuovere eventuali stimoli olfattivi e visivi. Nota: La superficie di una nuova palla deve essere sgrossato con grana carta vetrata, come P400, che garantisce la presa delle gambe sulla palla. </li><li> Accendere il ventilatore che fornisce aria a 9 V al tapis roulant e galleggia la palla (Figura 5A). Osservare la sfera galleggiante di circa 2 mm dal fondo della tazza. </li><li> Utilizzando una vite, collegare il filo del l&#39;allegato con la falena di rame (vedi punto 2) per un appuntamento fisso nella cabina di guida del robot (vedi figura 3 nel riquadro). Assicurarsi che la posizione delle gambe medio è al centro della sfera (Figura 7A). </li><li> Regolare la posizione verticale dell&#39;attacco per consentire la falena di camminare normalmente sulla btutti. Mantenere la palla alla stessa altezza prima e dopo aver collegato la falena (Figura 7B). Nota: Una posizione troppo basso dell&#39;attacco aggiunge pressione sul tignola e suscita passi all&#39;indietro per resistere alla pressione (figura 7C), mentre una posizione troppo elevata provoca piedi instabile e guasti del sensore a causa di cambiamenti nella posizione verticale la sfera (figura 7D). Per controllare il normale comportamento di camminare, un single-soffiato stimolo feromone viene utilizzato per attivare camminare nella falena (per lo stimolo feromone, vedi punto 4). Si noti che lo stimolo test deve essere minimo perché una precedente esposizione a bombykol abitua silkmoths e diminuisce la loro sensibilità (Matsuyama e Kanzaki, dati non pubblicati). </li></ol> 4. Preparazione Fonte Odore Nota: Maschio B. mori sono sensibili alla componente principale del feromone sessuale femminile conspecifici (bombykol: (E, Z) -10,12-hexadecadien-1-olo) <sup&gt; 20. Ogni contaminazione di attrezzature sperimentali con bombykol suscita il comportamento degli odori-tracking e colpisce la capacità di risposta della falena. <ol><li> Goccia 10 ml di soluzione bombykol sciolto in n-esano (200 ng / ml) su un pezzo di carta da filtro (circa 10 mm x 10 mm). La quantità di bombykol per pezzo di carta da filtro è 2,000 ng. Nota: Per controllare il normale comportamento piedi della falena, preparare una cartuccia feromone di stimolo in questa fase. La cartuccia è una pipetta Pasteur di vetro con un pezzo di carta da filtro contenente 2.000 ng di bombykol. Spingendo una lampadina gonfia la bombykol aria contenente. </li></ol> 5. Odore Fonte localizzazione Experiment <ol><li> Accendere il ventilatore di una galleria del vento che tira aria-tipo (1.800 × 900 × 300 mm, L x W x H; Figura 8) e impostare la velocità del vento di 0,7 m / sec. Assicurarsi che la temperatura è superiore a 20 ° C. </li><li> Impostare la fonte degli odori (il pIECE di carta da filtro contenente bombykol) a monte della galleria del vento. Nota: La larghezza pennacchio dovrebbe essere confermato prima dell&#39;esperimento utilizzando TiCl 4 17,19. </li><li> Accendere il bordo microcontrollore del robot e stabilire una connessione seriale ad un PC via Bluetooth. </li><li> Avviare un programma Java su misura denominata &quot;Biosignal&quot;, che fornisce un&#39;interfaccia tra il PC e il robot. Nota: La finestra principale comprende pulsanti per l&#39;invio di comandi al robot, finestre di testo per la visualizzazione l&#39;ingresso e l&#39;uscita della comunicazione seriale, e piccole scatole per configurare i parametri. I comandi successivi vengono inviati facendo clic sui pulsanti corrispondenti in questo programma, tranne che per la cattura video. </li><li> Fare clic sul pulsante &quot;Info sul dispositivo&quot; per confermare la connessione con l&#39;invio di un comando al robot tramite la porta COM specificata e controllare che un messaggio viene restituito dal robot. </li><li> Clicca su &quot;memory erase pulsante &quot;per cancellare i dati precedenti locomozione lasciato nella memoria flash integrata. </li><li> Fare clic sul pulsante &quot;drivemode1&quot; per inviare i guadagni del motore di default al robot. Nota: Le manipolazioni dei guadagni motore e l&#39;intervallo di tempo tra la locomozione insetti e movimento del robot vengono applicati dopo questo passaggio (vedere i passi 6.1 e 6.3, figura 9). </li><li> Fare clic sul pulsante &quot;non guidare&quot; per inviare un comando per immobilizzare il robot fino a quando l&#39;esperimento si avvia. </li><li> Mettere il robot in una posizione di partenza (600 mm a valle della sorgente di odore) e accendere l&#39;interruttore del bordo di driver del motore. </li><li> Premere il pulsante di registrazione della videocamera per avviare la cattura video. </li><li> Fare clic sul pulsante &quot;Start rec&quot; per inviare un comando di avvio per avviare il robot con una registrazione simultanea della rotazione palla sulla memoria flash integrata. Si osservi che il robot inizia a muoversi e tiene traccia del pennacchio odore. </li><li> Clicca sul&quot;STOP REC&quot; e &quot;non guidare&quot; i pulsanti per inviare comandi per fermare sia il movimento del robot e la registrazione se il robot localizza la fonte dell&#39;odore. </li><li> Premere il pulsante di registrazione della videocamera per fermare la cattura video. </li><li> Scarica i dati registrati locomozione dalla memoria flash integrata al computer tramite una connessione seriale. Chiudi il programma. </li></ol> 6. La manipolazione del robot dell&#39;insetto controllata Nota: I tempi di ogni manipolazione è indicato in figura 9. <ol><li> La manipolazione dei guadagni a motore Nota: Questa manipolazione altera la velocità di traslazione e di rotazione del robot. Guadagni motore asimmetrici generare una polarizzazione rotazione, che può essere usato per studiare come insetti compensare la polarizzazione 17. <ol><li> Definire i guadagni di rotazione per la rotazione in avanti e all&#39;indietro del motore su ogni lato 17 (Figura 6B) modificando °file di posta di configurazione chiamato &quot;param2.txt&quot; utilizzando un editor di testo. </li><li> Clicca su &quot;param2 set&quot; per leggere il file di configurazione modificato nel programma software. Quindi, fare clic sul &quot;drivemode2&quot; per inviare i guadagni manipolati per il robot. </li></ol></li><li> Inversione dell&#39;uscita del motore Nota: Questa manipolazione fornisce una condizione simile a l&#39;inversione dell&#39;ingresso olfattivo bilaterale (vedi passo 6.4) e può essere utilizzato per indagare il significato dell&#39;olfatto bilaterale. Tuttavia, l&#39;inversione di uscita motore inverte anche autoindotta movimento visivo di una falena bordo. L&#39;impatto del input visivo autoindotto rovesciata può essere valutato da un confronto con l&#39;ingresso olfattiva invertito 19. <ol><li> Invertire il controllo bilaterale del motore attraversando i cavi di controllo per ogni motore. </li></ol></li><li> La manipolazione del tempo di ritardo tra la locomozione insetti e movimento del robot. Nota: Questa manipolazionepermette l&#39;indagine del periodo accettabile di tempo speso per l&#39;elaborazione sensoriale-motoria per la robotica odori-tracking. Il microcontrollore memorizza i dati di locomozione su una memoria buffer e quindi lo elabora dopo il ritardo di tempo specificato. Si noti che il robot ha un massimo ritardo interno di 200 msec; di conseguenza, il ritardo di tempo effettivo è prevista per l&#39;intervallo di tempo specificato più di 200 msec 16,17. <ol><li> Inserire un numero (da 0-10) in una piccola scatola della finestra principale per specificare un intervallo di tempo da 0-1,000 ms a passi di 100 msec. </li><li> Fare clic sul pulsante &quot;set ritardo&quot; per applicare il tempo di ritardo. </li></ol></li><li> Manipolazione dell&#39;ingresso olfattivo. Nota: Questa manipolazione può essere usato per studiare il significato dell&#39;ingresso olfattiva bilaterale. La direzione ondata di silkmoths è polarizzato sul lato superiore concentrazione 22. <ol><li> Modificare il divario tra le punte dei tubi di aspirazione o invertire le loro posizioni per alterare ildifferenza di concentrazione di odore acquisita da ciascuna antenna. </li></ol></li><li> Manipolazione di input visivi Nota: Questa manipolazione è quello di indagare il ruolo di input visivo per l&#39;odore-tracking. <ol><li> Coprire il telo con un foglio bianco che occlude 105 ° e 90 ° del campo visivo orizzontale e verticale della falena bordo rispettivamente. </li></ol></li></ol>

The authors have nothing to disclose.

I punti più importanti per il controllo di successo del robot da un silkmoth sono lasciando la falena camminare agevolmente sulla palla gonfiabile e il stabilmente misura la rotazione palla. Pertanto, legare il silkmoth e montandolo sulla palla nella posizione appropriata sono i passaggi critici in questo protocollo. adesione inadeguate della falena all&#39;attacco o il posizionamento appropriato della falena sulla palla causerà pressione anomala su di esso, che perturba il normale comportamento di camminare e / o causa un errore del sensore ottico per misurare la rotazione della sfera. Irruvidimento la palla di polistirolo è importante anche per evitare che il lepidottero di scivolare. La locomozione della falena legato in risposta all&#39;odore stimoli e il successivo movimento del robot deve essere attentamente controllato prima della prova di odore-tracking (vedi punto 3.6). L&#39;uso di una sfera grande è meglio perché diminuisce la curvatura del tapis roulant, che fornisce un quasisuperficie piana per le gambe di insetti. La sfera di diametro di 50 mm usato qui è relativamente piccolo rispetto a quello utilizzato nella configurazione treadmill convenzionale per silkmoths (diametro: 75 mm) 24. Tuttavia, una più grande (e più pesante) palla deve essere utilizzato con cautela, in quanto l&#39;inerzia della palla non è trascurabile durante i movimenti del robot. Se un falena a bordo non può frenare la rotazione inerziale-forza-indotta di una palla durante i movimenti del robot per le zampe, il robot oscilla continuamente senza alcuna piedi dal lepidottero. Quando sperimentatori considerano l&#39;uso di altre specie di insetti, di conseguenza, la dimensione palla deve essere selezionato sulla base della forza delle loro prese gambe e le loro dimensioni. Durante la localizzazione fonte di odore, sperimentatori dovrebbero anche controllare il comportamento della falena-se un falena bordo cammina senza problemi sulla palla e il robot risponde rapidamente come le mosse falena. Il silkmoth presenta camminare all&#39;indietro quando riceve troppa pressione dal allegato (una posizione troppo bassa, vedere <strong&gt; Figura 7) e movimenti ripetitivi degli arti anteriori se scivolano sulla palla o toccare un oggetto (ad esempio la partizione davanti alla testa, Figura 5B). Scarsa capacità di risposta del robot di locomozione insetto è dovuto alla palla posizione inappropriati o l&#39;esaurimento delle batterie (le batterie durano circa 30 minuti). La limitazione del robot dell&#39;insetto controllato è che la falena bordo è sicuramente situato in circostanze innaturali. Il tapis roulant, il sistema di erogazione degli odori, e l&#39;altezza di 90 mm della cabina di guida forniscono diverse informazioni sensoriali (meccanosensoriali, olfattiva e visiva) da quelle acquisite dalle tarme liberamente a piedi. Queste differenze sono diventate evidente quando abbiamo confrontato i comportamenti del robot insetto controllato con quelli di silkmoths liberamente a piedi. Per esempio, se è stata osservata la stessa prestazione per localizzazione della sorgente dell&#39;odore tra il robot e liberamente walking silkmoths, le traiettorie del robot erano sparse lungo la direzione vento trasversale, mentre quelli del liberamente piedi silkmoths convergenti mentre raggiungevano la fonte di odore, in funzione della diminuzione della larghezza pennacchio (Figura 10A, B). Questa differenza è semplicemente dovuta alle diverse dimensioni del robot e tarme. In particolare, la distanza tra il bordo falena e la punta del tubo determina l&#39;intervallo per la ricerca odoranti; Pertanto, la distanza maggiore (robot: 100 mm; falena: circa 10 mm dal torace allo punta dell&#39;antenna) consentire al robot per attivare anche fuori il pennacchio. Inoltre, la falena nella volta non può ricevere la direzione del vento dall&#39;ambiente esterno. Sebbene il significato della direzione del vento per odori monitoraggio non è stato ancora determinato in silkmoths 22, l&#39;uso di direzione del flusso è una strategia fondamentale per odore-tracking in altri organismi 5,6. A causa del flusso d&#39;aria imposto generato dal sistema di erogazione odore, è anche difficileper tenere conto di &quot;sensing attiva&quot;, come l&#39;effetto di sbattimento dell&#39;ala che genera il flusso d&#39;aria e facilita la ricezione degli odori in silkmoths 25. A causa di queste limitazioni, se sperimentatori impiegano questa tecnica per esplorare l&#39;uso di modalità multiple, occorre discusso se i risultati ottenuti da questi esperimenti robot possono essere applicati agli insetti intatti in condizioni naturali 19. Il robot insetto controllato soddisfaceva tre requisiti per la valutazione della capacità di odore inseguimento degli insetti: 1) interfacciamento diretto del motore insetto comandi al robot di controllo, 2) sperimentazione in un vero pennacchio di odore e 3) consentire la manipolazione degli insetti di sistema sensoriale-motorio. In primo luogo, per quanto riguarda l&#39;interfaccia tra un insetto e un robot, l&#39;uso di segnali neurali per il controllo di un robot, ad esempio un&#39;interfaccia cervello-macchina 26, è una tecnica alternativa. Diversi studi sugli insetti utilizzano segnali neurali o elettromiogrammi per control di un robot e un feedback loop chiuso 27-30. Tuttavia, questo approccio richiede la decodifica dei segnali neurali per estrarre comandi motori significativi, che è un importante e continuo oggetto di ricerca nel campo delle neuroscienze. Pertanto, l&#39;uso di comportamento cammino effettivo di insetti per il controllo robot è un modo semplice e diretto per interfacciare comandi motori dell&#39;insetto a un robot. In secondo luogo, per quanto riguarda l&#39;ambiente in cui il robot si comporta, l&#39;uso di realtà virtuale sarebbe un&#39;alternativa 13,31-33. La realtà virtuale ci permette di condurre esperimenti comportamentali in situazioni più controllati ed è più efficace nello studio della visione, dove il tapis roulant gonfiabile è stato utilizzato per il monitoraggio locomozione animale e generazione di circostanze visivi 24,34-36. Tuttavia, chiudendo l&#39;anello di retroazione di informazioni olfattive è tecnicamente difficile perché richiede controllo di flusso preciso. Anche se l&#39;applicazione dell&#39;optogenetica per attivare olfattiva recettore neurons 37-40 supererà i limiti della realtà virtuale nel olfatto, l&#39;uso di un robot mobile in un pennacchio vera odore sarebbe un modo affidabile per stabilire una olfattivo anello chiuso attualmente. Infine, per quanto riguarda la manipolazione del sistema sensoriale-motorio di un insetto, approcci alternativi sarebbero manipolazioni chirurgiche degli insetti (ad esempio, il taglio o riguardanti gli organi sensoriali o appendici 41). Tuttavia, la nostra manipolazione robotizzata (passaggio 6 e Figura 11) è un modo non invasivo e reversibile per alterare il sistema sensoriale-motoria insetti, ottenuto dalla manipolazione della piattaforma del robot 19, e la controllabilità di vari parametri del robot permette di testare le sue prestazioni in varie circostanze. Il robot insetto-controllato ha due direzioni principali per le applicazioni future. La prima direzione è per l&#39;ingegneria. Come un robot autonomo controllato dal sistema sensomotorio insetto, l&#39;irobot nsect controllato sarà un riferimento per robot mobili realizzati con modelli biologici, che vanno dai veicoli Braitenberg semplificate 42 a reti neurali su larga scala. Il robot insetto-controllo sarà anche una piattaforma utile per testare le possibili combinazioni di altre modalità con insetto odore-tracking, come ad esempio la realizzazione di una macchina fotografica e un algoritmo per evitare collisioni di esplorare gli algoritmi di odore-free tracking-collisione. Inoltre, la messa a punto delle proprietà robot può migliorare le prestazioni di odore-tracking meglio di insetti intatti. Tale traduzione della capacità insetto potrebbe portare all&#39;utilizzo pratico di questo robot stesso per la ricerca di materiali pericolosi, se imitiamo le silkmoths transgenici 43 che rispondono ai prodotti chimici caratteristici in un materiale bersaglio. D&#39;altra parte, il robot insetto controllato sarà anche sollevare una questione importante: Come dovremmo utilizzare algoritmi biomimetici per applicazioni robotiche che si estendono oltre la differenza tra insetti e robot? Ad esempio, i recettori olfattivi insetti hanno una capacità eccezionale di acquisire ad alta velocità dinamica temporale della concentrazione di odore 44-46, che è responsabile per la localizzazione di trasformazione e l&#39;odore fonte olfattiva degli insetti, ma sono di gran lunga oltre le capacità dei sensori di gas convenzionali 4,29, 47. Come modificare l&#39;algoritmo biomimetico per soddisfare la capacità sensoriale del robot deve essere esplorato anche come direzione futura. L&#39;altra direzione principale è sicuramente per la biologia. Il robot insetti controllato può essere considerata come una piattaforma sperimentale anello chiuso. Inoltre, la manipolazione robotica, un modo non invasivo per alterare rapporto senso-motorio dell&#39;insetto, sarà ulteriormente applicato per studiare come il cervello piccolo insetto può rispondere, imparare e adattarsi alle nuove circostanze.

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 localization2-4.
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 reception5,6. These reactive strategies have been well-documented in insects and further combined with other modalities, such as wind direction and vision5-8. The insect behavioral models have also been useful examples for robotics3,9-11, in which behavioral algorithms or neural circuit models are implemented into mobile robots for the evaluation of odor source localization abilities10,12-15. 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 system16,17. 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.

<table><tbody><tr><td>Male adult silkmoth (&lt;em&gt;Bombyx mori&lt;/em&gt;)</td><td></td><td></td><td>Rear from eggs, or purchase as pupae.</td></tr><tr><td>Incubator</td><td>Panasonic</td><td>MIR-254</td><td>Store pupae or adult silkmoths at a constant temperature, 238 L.</td></tr><tr><td>Plastic box</td><td>Sunplatec</td><td>O-3</td><td>Store pupae or adult silkmoths, 299 &amp;times; 224 &amp;times; 62 mm L &amp;times; W &amp;times; H.</td></tr><tr><td>Copper wire</td><td></td><td></td><td>2-mm diameter for the attachment. Any rigid bar can be used as an alternative for making the attachment to tether a silkmoth.&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Plastic sheet</td><td>Kokuyo</td><td>VF-1420N</td><td>Sold as overhead projector film with thickness of 0.1 mm. Use at the tip of the attachment.</td></tr><tr><td>Forceps</td><td>As one</td><td>5SA</td><td>Remove scales on the thorax.</td></tr><tr><td>Adhesive</td><td>Konishi</td><td>G17</td><td>Bond a silkmoth to the attachment.</td></tr><tr><td>Insect-controlled robot</td><td>Custom</td><td></td><td>Bearing an air-supported treadmill, an optical sensor, custom-built AVR-based microcontroller boards, and two DC brushless motors. It is powered by 8 &amp;times; AA and 3 &amp;times; 006P batteries.</td></tr><tr><td>Microcontroller</td><td>Atmel</td><td>ATMEGA8</td><td>A component of the insect-controlled robot.</td></tr><tr><td>DC blower</td><td>Nidec</td><td>A34342-55</td><td>A component of the insect-controlled robot for floating a ball in an air-supported treadmill.&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>DC fan</td><td>Minebea</td><td>1606KL-04W-B50</td><td>A component of the insect-controlled robot for suctioning air containing an odor.</td></tr><tr><td>Optical mouse sensor</td><td>Agilent technologies</td><td>HDNS-2000</td><td>A component of the insect-controlled robot, obtained from an optical mouse (M-GUWSRSV, Elecom, Japan).</td></tr><tr><td>Brushless motor</td><td>Maxon</td><td>EC-45</td><td>A component of the insect-controlled robot for driving a wheel.</td></tr><tr><td>White polystyrene ball</td><td></td><td></td><td>A component of the insect-controlled robot. Diameter 50 mm, mass approximately 2 g.</td></tr><tr><td>Bombykol:&lt;br/&gt;(E,Z)-10,12-hexadecadien-1-ol</td><td>Shin-Etsu chemical</td><td></td><td>Custom synthesis.</td></tr><tr><td>n-hexane</td><td>Wako</td><td>085-00416</td><td>Solvent for bombykol.</td></tr><tr><td>Wind tunnel</td><td>Custom</td><td></td><td>Pulling-air type, sized 1,800 &amp;times; 900 &amp;times; 300 mm L &amp;times; W &amp;times; H.</td></tr><tr><td>BioSignal program</td><td>Custom</td><td></td><td>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.&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Camcorder</td><td>Sony</td><td>HDR-XR520V</td><td>Capture robot movements.</td></tr></tbody></table>

insect-controlled robot: a mobile robot platform to evaluate the odor-tracking capability of an insect

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.

Presentiamo qui le caratteristiche di base del robot insetti controllata richiesta per la localizzazione di successo di una sorgente di odore. Il confronto tra il robot e silkmoths, l&#39;efficacia del sistema di erogazione odore e il significato di accurate olfattiva bilaterale e input visivi sono esaminati. Il confronto dei comportamenti odori tracciamento tra tarme liberamente piedi e il robot insetto controllato è mostrato in Figura 10A e B. Nelle stesse circostanze odore, entrambe le falene a piedi e il robot ha segnato tassi di successo del 100% (a piedi falena, 10 prove di n = 10 tarme; robot, 7 studi per n = 7 falene). Anche se il robot esposto traiettorie più ampi rispetto a quelli dei lepidotteri piedi, non vi era alcuna differenza significativa nel tempo per la localizzazione tra le tarme piedi e il robot (P2; 0,05, Wilcoxon rank test sum; falena, mediana = 46.5 sec, IQR = 36,7, 69,6; robot, mediana = 48.1 sec, IQR = 44,9, 61,9). Il sistema di erogazione di odore (Figura 5B) è necessario per alimentare il flusso odorizzante vicino al pavimento alle antenne della falena bordo posizionato 90 mm sopra il pavimento. Senza questo sistema (tubi di aspirazione, ventilatori, e il baldacchino), il robot non poteva orientare verso la sorgente di odore e continuò girando fino a quando si è fermato (tutte le 10 prove di n = 5 falene fallito, Figura 10C). Secondo il comportamento silkmoth programmato, girando continuo è un comportamento tipico quando un silkmoth non riesce a contattare il feromone durante l&#39;orientamento 21,22. La Figura 11 mostra i risultati rappresentativi dimostrano le manipolazioni del robot. L&#39;efficacia di un ingresso olfattiva bilaterale per l&#39;odore-tracking è stato evaluatcato cambiando la posizione delle punte del tubo (passo 6.4) o invertendo l&#39;uscita del motore (passo 6.2). I robot raggiunto percentuali di successo del 100% con due diversi spazi tra i tubi di sinistra e destra (divario [Control], 90 mm, 10 prove di n = 10 tarme; stretta fessura, 20 mm, 10 prove da N = 10 tarme; Figura 11A, B), e non vi era alcuna differenza significativa nel tempo per la localizzazione tra queste due posizioni tubo (p&gt; 0.05, la prova di acciaio; Figura 11E). D&#39;altra parte, l&#39;inversione di punte tubo (ogni antenna ricevuto odorizzante dal lato controlaterale, gap tubo = 90 mm) ampliato traiettorie lungo la direzione vento trasversale e leggermente aumentato la mediana del tempo alla localizzazione, anche se non vi era alcuna differenza significativa ( P&gt; 0.05, la prova di acciaio, Figura 11C, E). L&#39;inversione di potenza del motore fornisce una situazione simile a quella del olfattivo invertitaIngresso ry; inoltre, inverte anche il movimento visivo autoindotta ricevuto dal falena bordo. A causa del feedback visivo negativo invertita (cioè, risposte positive), il robot continuò girando, anche in odore plume (Figura 11D), che ha significativamente allungato il tempo di localizzazione (P &lt;0,01, test di Steel; Figura 11E). Le percentuali di successo dell&#39;ingresso olfattiva invertito (C) e l&#39;uscita del motore invertita (D) erano 80% (10 prove da N = 10 falene) e il 90,9% (11 studi di 11 mesi), rispettivamente. Una discussione dettagliata del controllo sensomotorio in silkmoths è descritta nel precedente lavoro 19. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/54802/54802fig1.jpg" /> Figura 1. Memorizzazione di silkmoth pupe. (A) pupe maschio sono memorizzati in una scatola di plastica (a sinistra). Le farfalle adulte mantengono il cartoncino intorno alla parete interna del box durante eclosion (a destra). (B) Sex marcature di pupe. Ogni freccia indica una piccola macchia sul lato ventrale del nono segmento addominale del maschio e un segno &quot;X&quot; con una multa, linea longitudinale sul lato ventrale del segmento addominale ottavo del femminile. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54802/54802fig1large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="figura 2" src="/files/ftp_upload/54802/54802fig2.jpg" /> Figura 2. Tethering un silkmoth. (A) Realizzazione di un allegato per legare un silkmoth. I tre passi sono descritti in 2.1.1 a 2.1.3 (vedi testo). Una striscia duplice sottile foglio di plastica è stato attaccato alla punta del filo di rame, che assorbe il movimento dorso-ventrale (vedere la Figura 2B) del mesonoto durante la deambulazione. L&#39;altro, punta ricurva del filo è per handling. (B) atteggiamenti superiori e inferiori di un silkmoth durante feromone inseguimento (vedere l&#39;angolo tra il femore e la tibia degli arti anteriori [frecce]). (C) La rimozione delle squame sul mesonoto (indicato da frecce). Le immagini sinistra e destra mostrano prima e dopo la rimozione di bilance, rispettivamente. I tegulae forewing erano intatti (circondato da linee tratteggiate). <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54802/54802fig2large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/54802/54802fig3.jpg" /> Robot Figura 3. Insect-controllato. L&#39;inserto mostra una vista ingrandita del pozzetto. (1) A silkmoth tethered su un tapis roulant (una palla-gonfiabile, vedi riquadro), (2) due ventilatori per la fornitura di un odore di falena (velocità dell&#39;aria, 0,5 m / sec), (3) tubi di aspirazione per prendere il odore, (4) motori a corrente continua e wheEls, (5) schede a microcontrollore, (6) una presa d&#39;aria per l&#39;alimentazione di aria per la palla, (7) i marcatori di monitoraggio per il video in linea analisi, (8) due LED per mantenere un&#39;illuminazione costante nella cabina di guida (280 lx), (9 ) un allegato per legare il silkmoth, e (10) un appuntamento fisso dell&#39;attacco. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54802/54802fig3large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/54802/54802fig4.jpg" /> Figura 4. Schema di hardware. La rotazione della palla gonfiabile nel treadmill è stata misurata mediante un sensore ottico mouse con una risoluzione di 0,254 mm ad una frequenza di campionamento di 1,5 kHz. I microcontrollori calcolato la traiettoria del silkmoth dalla uscita del sensore e controllati due motori DC sui lati sinistro e destro. I motori sono stati guidati da pulse-width modulation a 1 kHz, con feedback di posizioneda incorporati sensori Hall. L&#39;uscita del sensore ottico (cioè, il comportamento della falena bordo) è stato immagazzinato in una memoria flash integrata (8 Mbit) ad una frequenza di campionamento di 5 Hz. Questi dati sono stati utilizzati per confrontare il comportamento della falena bordo con movimenti del robot. La comunicazione senza fili tra un computer (PC) e il robot è stato ottenuto tramite Bluetooth, che è stato utilizzato solo per l&#39;invio di comandi per avviare e arrestare il robot, o per manipolare le proprietà motorie del robot. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54802/54802fig4large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 5" src="/files/ftp_upload/54802/54802fig5.jpg" /> Figura 5. disegni flusso d&#39;aria per il tapis roulant e il sistema di consegna odore. (A) Flusso d&#39;aria per sostenere la palla del tapis roulant. L&#39;aria è stata presa dalla presa d&#39;aria dietro la cabina di guida da un ventilatore fan; poi scorreva attraverso un canale e ha spento da piccoli fori (diametro 1 mm) su una tazza FRP misura (nel riquadro). La vista superiore della tazza circondata da un rettangolo rosso è mostrato nell&#39;inserto. Le frecce rosse indicano il flusso d&#39;aria; freccia bianca, il sensore ottico con un trasmettitore a LED; e la freccia nera, la tazza con piccoli fori. (B) Il flusso d&#39;aria del sistema di erogazione odore. L&#39;aria contenente il feromone è stato aspirato dalla punta di un tubo flessibile in polietilene per lato, separate da una partizione nella volta, e consegnato al antenna sul lato omolaterale. Flusso d&#39;aria su ciascun lato è indicato da frecce rosso o blu. Questa cifra è stata modificata da Ando e Kanzaki 19. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54802/54802fig5large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 6" src="/files/ftp_upload/54802/54802fig6.jpg" /> Figura 6. Calcolo dalla locomozione insetto il movimento del robot. (A) Un disegno schematico del robot (Δ L) e movimenti ruote (sinistra, Δ L L e destra, Δ L R). Δθ, girare l&#39;angolo del robot. (B) i parametri per il calcolo. Δ x e y Δ rappresentano i movimenti di rotazione e traslazione di una sfera (un valore positivo indica il senso orario o in avanti); Palla D, il diametro della sfera; Ruote D, la distanza tra le ruote; G FW, L e G BW, L, guadagni motore della avanti (FW) o indietro (BW) rotazione della ruota sinistra (L); G FW, R e G BW, R, guadagni motore di rotazione avanti o all&#39;indietro della ruota destra (R). <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54802/54802fig6large.jpg" target="_blank">Si prega di cliccare il suo</a>e per vedere una versione più grande di questa figura. <img alt="Figura 7" src="/files/ftp_upload/54802/54802fig7.jpg" /> Figura 7. Regolazione della posizione di una falena legato sul tapis roulant. (A) La vista laterale di una falena legato su una palla. Le gambe centrali devono essere posizionati nella parte superiore della palla (freccia nera). (B) La posizione verticale appropriata della falena. Il sensore ottico dietro la falena di fronte al centro della sfera. Normal passi avanti ruotare la sfera in senso orario (visto dal lato sinistro). (C) La posizione verticale è troppo basso (freccia in basso). Il silkmoth estende le zampe anteriori di resistere alle pressioni e ruota la palla indietro (rotazione in senso antiorario). (D) La posizione verticale è troppo alta (freccia verso l&#39;alto). La falena tiene la palla e la solleva in alto. Anche se la falena in grado di eseguire in avanti a camminare in questa situazione 23 </sup&gt; (rotazione in senso orario), si alza la palla e sposta la sua posizione. Lo spostamento verticale della posizione della sfera aumenta la distanza tra la sfera e del sensore ottico, che si traduce in un errore di lettura del sensore. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54802/54802fig7large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 8" src="/files/ftp_upload/54802/54802fig8.jpg" /> Figura 8. galleria del vento. L&#39;aria è stata filtrata con un pannello di rete (freccia rossa); poi entrò l&#39;area di registrazione di una videocamera, 1.500 (L) × 900 (W) mm. La fonte di odore è stato posto a monte della zona di registrazione e l&#39;aria contaminata feromone era esausto all&#39;esterno da un ventilatore (freccia blu). La galleria del vento è stata fatta di polistirene espanso estruso. Il soffitto era una lastra acrilica trasparente, e il piano era un tappeto di gomma per evitare slittamento delle ruote robot. La fonte degli odori wcome posta al centro della posizione vento laterale e 250 mm sottovento dal pannello mesh. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54802/54802fig8large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 9" src="/files/ftp_upload/54802/54802fig9.jpg" /> Figura 9. Tempi di manipolazioni del robot nel protocollo. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54802/54802fig9large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 10" src="/files/ftp_upload/54802/54802fig10.jpg" /> Figura test di localizzazione delle sorgenti 10. Odore. Ogni pannello mostra le traiettorie degli silkmoths (A; 10 prove di N = 10; tarme dati da Ando et al. 17), il robot insetto controllata ( <strong&gt; B; 7 studi di N = 7 tarme), e il robot senza il sistema di erogazione di odore (C; 10 prove di N = 5 tarme). Le falene o il robot ha iniziato 600 mm sottovento (punta di freccia) da una fonte degli odori (segno di croce, un pezzo di carta da filtro contenente 2.000 ng di bombykol). Le prove con il più breve o più lungo il tempo impiegato per la localizzazione sono indicati come linee rosse e blu, rispettivamente. Le altre prove di successo sono di colore grigio, e le prove fallite sono verdi. Un cerchio indica l&#39;area di porta per giudicare il successo nella localizzazione. Il raggio della zona obiettivo è stato definito sulla base della dimensione del robot, equivalente alla distanza minima tra la falena bordo e la fonte di odore 17. Una freccia indica la direzione del vento (velocità del vento: 0,7 m / sec), e linee tratteggiate indicano i confini del pennacchio feromone. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54802/54802fig10large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare un più grande</a>versione di questa figura. <img alt="Figura 11" src="/files/ftp_upload/54802/54802fig11.jpg" /> Figura 11. Manipolazione dell&#39;ingresso olfattivo e l&#39;uscita del motore. Ogni pannello mostra traiettorie di successo del robot (la posizione della falena bordo) con un&#39;apertura ampia tubo (A; controllo, 90 mm, successo in tutti 10 prove di N = 10 tarme), una stretta fessura (B; 20 mm , successo in tutti 10 prove di N = 10 tarme), un&#39;intercapedine livello provetta capovolta (C; successo 8 di 10 prove, N = 10 tarme), e un gap ampio tubo con uscita motore invertito (D; successo 10 di 11 studi, n = 11 falene). Gli sbuffi d&#39;aria ripetitive attraverso un pezzo di carta da filtro contenente 2.000 ng di bombykol sono stati rilasciati dal segno di croce. Le frecce grigie e bianche con il robot indicano gli orientamenti di ingresso olfattiva bilaterale e motouscita r. Le altre condizioni sperimentali e descrizioni figura sono le stesse come nella Figura 10. (E) Tempo di localizzazione del robot sotto il quattro condizioni (AD). I dati individuali sono riassunti in un diagramma a riquadri. I lati sinistro e destro della casella indicano il primo e il terzo quartile, e il bar rappresenta la mediana. I baffi indicano la gamma di 1,5 × interquartile. Gli asterischi indicano una differenza significativa dai dati di controllo (A), in base al test di acciaio (** P &lt;0,01). <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54802/54802fig11large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a>

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Insect-controlled Robot: A Mobile Robot Platform to Evaluate the Odor-tracking Capability of an Insect

La capacità di localizzare una fonte di odore è necessario per la sopravvivenza degli insetti e dovrebbe essere applicabile a artificiale odore-tracking. Il robot insetto controllato è azionato da un silkmoth reale e permette di valutare la capacità di odore-tracking di insetti attraverso una piattaforma robotica.

Robot Insect-controllato: una piattaforma mobile Robot per valutare la capacità odore-tracking di un insetto

Robotic odor source localization has been a challenging area and one to which biological knowledge has been expected to contribute, as finding odor ...

insect-controlled-robot-mobile-robot-platform-to-evaluate-odor

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Neuroscience

14.6K Views.  The University of Tokyo.  La capacità di localizzare una fonte di odore è necessario per la sopravvivenza degli insetti e dovrebbe essere applicabile a artificiale odore-tracking. Il robot insetto controllato è azionato da un silkmoth reale e permette di valutare la capacità di odore-tracking di insetti attraverso una piattaforma robotica. 

Video: Insect-controlled Robot: A Mobile Robot Platform to Evaluate the Odor-tracking Capability of an Insect

High-resolution Measurement of Odor-Driven Behavior in Drosophila Larvae

Olfactory responses in Drosophila larvae have been traditionally studied in Petri dishes comprising a single peripheral odor source. In this behavioral paradigm, the experimenter usually assumes that the rapid diffusion of odorant molecules from the source leads to the creation of a stable gradient in the dish. To establish a quantitative correlation between sensory inputs and behavioral responses, it is necessary to achieve a more thorough characterization of the odorant stimulus conditions. In this video article, we describe a new method allowing the construction of odorant gradients with stable and controllable geometries. We briefly illustrate how these gradients can be used to screen for olfactory defects (full and partial anosmia) and to study more subtle features of chemotaxis behavior.

In this video article, we describe a new method allowing the construction of odorant gradients with stable and controllable geometries. We briefly illustrate how these gradients can be used to screen for olfactory defects (full and partial anosmia) and to study more subtle features of chemotaxis behavior.

Ad alta risoluzione misurazione del comportamento Odor-Driven in Larve Drosophila

Olfactory responses in Drosophila larvae have been traditionally studied in Petri dishes comprising a single peripheral odor source. In this behavioral ...

Ricerca

Biologia

Visually Mediated Odor Tracking During Flight in Drosophila

Flying insects use visual cues to stabilize their heading in a wind stream. Many animals additionally track odors carried in the wind. As such, visual stabilization of upwind tracking directly aids in odor tracking. But do olfactory signals directly influence visual tracking behavior independently from wind cues? Additionally, recent advances in olfactory molecular genetics and neurophysiology have motivated novel quantitative behavioral analyses to assess the behavioral influence of (e.g.) genetically inactivating specific olfactory activation circuits. We modified a magnetic tether system originally devised for vision experiments by equipping the arena with narrow laminar flow odor plumes. Here we focus on experiments that can be performed after a fly is tethered and is able to navigate in the magnetic arena. We show how to acquire video images optimized for measuring body angle, how to judge stable odor tracking, and we illustrate two experiments to examine the influence of visual cues on odor tracking.

Here we describe how to optimize the acquired video image for an olfactory magnetic-tether (OMT) apparatus. We also describe two sample experimental protocols for studying visuo-olfactory fusion.

Visivamente monitoraggio Odore mediata durante il volo in Drosophila

Flying insects use visual cues to stabilize their heading in a wind stream. Many animals additionally track odors carried in the wind. As such, visual ...

A Wind Tunnel for Odor Mediated Insect Behavioural Assays

Olfaction is the most important sensory mechanism by which many insects interact with their environment and a wind tunnel is an excellent tool to study insect chemical ecology. Insects can locate point sources in a three-dimensional environment through the sensory interaction and sophisticated behavior. The quantification of this behavior is a key element in the development of new tools for pest control and decision support. A wind tunnel with a suitable flight section with laminar air flow, visual cues for in-flight feedback and a variety of options for the application of odors can be used to measure complex behaviour which subsequently may allow the identification of attractive or repellent odors, insect flight characteristics, visual-odor interactions and interactions between attractants and odors lingering as background odors in the environment. A wind tunnel holds the advantage of studying the odor mediated behavioural repertoire of an insect in a laboratory setting. Behavioural measures in a controlled setting provide the link between the insect physiology and field application. A wind tunnel must be a flexible tool and should easily support the changes to setup and hardware to fit different research questions. The major disadvantage to the wind tunnel setup described here, is the clean odor background which necessitates special attention when developing a synthetic volatile blend for field application.

Here, we describe the construction and use of a wind tunnel for odor mediated behavioural assays with insects. The wind tunnel design facilitates the release of odor sources by several methods, with and without visual stimuli. Wind tunnel experiments are important methods to identify behaviorally active volatile chemicals.

Una galleria del vento per odore mediata saggi comportamentali dell'insetto

Olfaction is the most important sensory mechanism by which many insects interact with their environment and a wind tunnel is an excellent tool to study ...

Comportamento

Vertical T-maze Choice Assay for Arthropod Response to Odorants

Given the economic importance of insects and arachnids as pests of agricultural crops, urban environments or as vectors of plant and human diseases, various technologies are being developed as control tools. A subset of these tools focuses on modifying the behavior of arthropods by attraction or repulsion. Therefore, arthropods are often the focus of behavioral investigations. Various tools have been developed to measure arthropod behavior, including wind tunnels, flight mills, servospheres, and various types of olfactometers. The purpose of these tools is to measure insect or arachnid response to visual or more often olfactory cues. The vertical T-maze oflactometer described here measures choices performed by insects in response to attractants or repellents. It is a high throughput assay device that takes advantage of the positive phototaxis (attraction to light) and negative geotaxis (tendency to walk or fly upward) exhibited by many arthropods. The olfactometer consists of a 30 cm glass tube that is divided in half with a Teflon strip forming a T-maze. Each half serves as an arm of the olfactometer enabling the test subjects to make a choice between two potential odor fields in assays involving attractants. In assays involving repellents, lack of normal response to known attractants can also be measured as a third variable.

A vertical, T-maze olfactometer is described for assaying the behavioral response of arthropods. The olfactometer allows the experimenter to measure choices performed by test subjects when subjected to two potential odor fields. Both attraction to and repulsion from odorants can be measured with this device.

Verticale T-maze test di scelta per risposta artropodi di odori

Given the economic importance of insects and arachnids as pests of agricultural crops, urban environments or as vectors of plant and human diseases, ...

Neuroscienze

Controlled Odor Mimic Permeation Systems for Olfactory Training and Field Testing

The Controlled Odor Mimic Permeation System (COMPS) was developed to provide a convenient field testing method of odor delivery at controlled and reproducible rates. COMPS are composed of an odorant of interest on an absorbent material sealed inside of a permeable polymer bag. The permeable layer allows for a constant release of the odorant over a given amount of time. The permeable bag is further stored in a secondary, impermeable bag. The double-containment procedure allows for equilibration of the odorant from the permeable bag but within the impermeable outer layer, resulting in an instant and reproducible source of odorant vapor upon removal from the outer packaging. COMPS are used in both olfactory testing for experimental scenarios and for olfactory detection training, such as with detection canines. COMPS can be used to contain a wide range of odorants (e.g., narcotics powders) and provide a controlled release of the associated odorants. Odor availability from COMPS is expressed in terms of permeation rate (i.e., the rate of the odorant vapor released from a COMPS per unit time) and is typically measured by gravimetric means. The permeation rate for a given mass or volume of odorant can be adjusted as needed by varying the bag thickness, surface area, and/or polymer type. The available odor concentration from a COMPS can also be measured by headspace analysis techniques such as solid phase microextraction with gas chromatography/mass spectrometry (SPME-GC/MS).

The Controlled Odor Mimic Permeation System is a simple, field-portable, low-cost method of odor delivery for olfactory testing and training. It is constructed of an odorant retained on an adsorbent material and contained inside of a permeable polymer bag allowing controlled release of the odorant vapor over time.

Sistemi di permeazione imitare gli odori controllati per l'allenamento olfattivo e il test sul campo

The Controlled Odor Mimic Permeation System (COMPS) was developed to provide a convenient field testing method of odor delivery at controlled and ...

Chimica

Using Insect Electroantennogram Sensors on Autonomous Robots for Olfactory Searches

Robots designed to track chemical leaks in hazardous industrial facilities1 or explosive traces in landmine fields2 face the same problem as insects foraging for food or searching for mates3: the olfactory search is constrained by the physics of turbulent transport4. The concentration landscape of wind borne odors is discontinuous and consists of sporadically located patches. A pre-requisite to olfactory search is that intermittent odor patches are detected. Because of its high speed and sensitivity5-6, the olfactory organ of insects provides a unique opportunity for detection. Insect antennae have been used in the past to detect not only sex pheromones7 but also chemicals that are relevant to humans, e.g., volatile compounds emanating from cancer cells8 or toxic and illicit substances9-11. We describe here a protocol for using insect antennae on autonomous robots and present a proof of concept for tracking odor plumes to their source. The global response of olfactory neurons is recorded in situ in the form of electroantennograms (EAGs). Our experimental design, based on a whole insect preparation, allows stable recordings within a working day. In comparison, EAGs on excised antennae have a lifetime of 2 hr. A custom hardware/software interface was developed between the EAG electrodes and a robot. The measurement system resolves individual odor patches up to 10 Hz, which exceeds the time scale of artificial chemical sensors12. The efficiency of EAG sensors for olfactory searches is further demonstrated in driving the robot toward a source of pheromone. By using identical olfactory stimuli and sensors as in real animals, our robotic platform provides a direct means for testing biological hypotheses about olfactory coding and search strategies13. It may also prove beneficial for detecting other odorants of interests by combining EAGs from different insect species in a bioelectronic nose configuration14 or using nanostructured gas sensors that mimic insect antennae15.

We describe a protocol for using insect antennae in the form of electroantennograms (EAGs) on autonomous robots. Our experimental design allows stable recordings within a day and resolves individual odor patches up to 10 Hz. The efficiency of EAG sensors for olfactory searches is demonstrated in driving a robot toward an odor source.

Utilizzando Insetto Electroantennogram sensori sul robot autonomi per le ricerche olfattive

Robots designed to track chemical leaks in hazardous industrial facilities1 or explosive traces in landmine fields2 face the same problem as insects ...

Electroantennography-based Bio-hybrid Odor-detecting Drone using Silkmoth Antennae for Odor Source Localization

Small drones with chemical or biosensor devices that can detect airborne odorant molecules have attracted considerable attention owing to their applicability in environmental and security monitoring and search-and-rescue operations. Small drones with commercial metal-oxide-semiconductor (MOX) gas sensors have been developed for odor source localization; however, their real-time-odor-detection performance has proven inadequate. However, biosensing technologies based on insect olfactory systems exhibit relatively high sensitivity, selectivity, and real-time response with respect to odorant molecules compared to commercial MOX gas sensors. In such devices, excised insect antennae function as portable odorant biosensor elements and have been found to deliver excellent sensing performance. This study presents experimental protocols for odorant-molecule detection in the air using a small autonomous bio-hybrid drone based on a mountable electroantennography (EAG) device incorporating silkmoth antennae.
We developed a mountable EAG device including sensing/processing parts with a Wi-Fi module. The device was equipped with a simple sensor enclosure to enhance the sensor directivity. Thus, odor source localization was conducted using the spiral-surge algorithm, which does not assume an upwind direction. The experimental bio-hybrid odor-detecting drone identified real-time odorant-concentration differences in a pseudo-open environment (outside a wind tunnel) and localized the source. The developed drone and associated system can serve as an efficient odorant molecule-detection tool and a suitable flight platform for developing odor source localization algorithms owing to its high programmability.

This study introduces experimental protocols for a bio-hybrid odor-detecting drone based on silkmoth antennae. The operation of an experimental electroantennogram device with silkmoth antennae is presented, in addition to the structure of a bio-hybrid drone designed for odor source localization using the spiral-surge algorithm.

Drone bioidro ibrido per il rilevamento degli odori basato sull'elettroantenografia che utilizza le antenne Silkmoth per la localizzazione della fonte di odore

Small drones with chemical or biosensor devices that can detect airborne odorant molecules have attracted considerable attention owing to their ...

Ingegneria

High-resolution Quantification of Odor-guided Behavior in Drosophila melanogaster Using the Flywalk Paradigm

In their natural environment, insects such as the vinegar fly Drosophila melanogaster are bombarded with a huge amount of chemically distinct odorants. To complicate matters even further, the odors detected by the insect nervous system usually are not single compounds but mixtures whose composition and concentration ratios vary. This leads to an almost infinite amount of different olfactory stimuli which have to be evaluated by the nervous system.
To understand which aspects of an odor stimulus determine its evaluation by the fly, it is therefore desirable to efficiently examine odor-guided behavior towards many odorants and odor mixtures. To directly correlate behavior to neuronal activity, behavior should be quantified in a comparable time frame and under identical stimulus conditions as in neurophysiological experiments. However, many currently used olfactory bioassays in Drosophila neuroethology are rather specialized either towards efficiency or towards resolution.
Flywalk, an automated odor delivery and tracking system, bridges the gap between efficiency and resolution. It allows the determination of exactly when an odor packet stimulated a freely walking fly, and to determine the animal&#180;s dynamic behavioral reaction.

High-resolution Quantification of Odor-guided Behavior in Drosophila melanogaster Using the Flywalk Paradigm

The automated tracking system Flywalk is used for high-resolution quantification of odor-guided behavior in Drosophila melanogaster.

Ad alta risoluzione quantificazione del comportamento Odor-guidata<em&gt; Drosophila melanogaster</em&gt; Utilizzo della<em&gt; Flywalk</em&gt; Paradigm

In their natural environment, insects such as the vinegar fly Drosophila melanogaster are bombarded with a huge amount of chemically distinct odorants. To ...

Olfactory Behaviors Assayed by Computer Tracking Of Drosophila in a Four-quadrant Olfactometer

A key challenge in neurobiology is to understand how neural circuits function to guide appropriate animal behaviors. Drosophila melanogaster is an excellent model system for such investigations due to its complex behaviors, powerful genetic techniques, and compact nervous system. Laboratory behavioral assays have long been used with Drosophila to simulate properties of the natural environment and study the neural mechanisms underlying the corresponding behaviors (e.g. phototaxis, chemotaxis, sensory learning and memory)1-3. With the recent availability of large collections of transgenic Drosophila lines that label specific neural subsets, behavioral assays have taken on a prominent role to link neurons with behaviors4-11. Versatile and reproducible paradigms, together with the underlying computational routines for data analysis, are indispensable for rapid tests of candidate fly lines with various genotypes. Particularly useful are setups that are flexible in the number of animals tested, duration of experiments and nature of presented stimuli. The assay of choice should also generate reproducible data that is easy to acquire and analyze. Here, we present a detailed description of a system and protocol for assaying behavioral responses of Drosophila flies in a large four-field arena. The setup is used here to assay responses of flies to a single olfactory stimulus; however, the same setup may be modified to test multiple olfactory, visual or optogenetic stimuli, or a combination of these. The olfactometer setup records the activity of fly populations responding to odors, and computational analytical methods are applied to quantify fly behaviors. The collected data are analyzed to get a quick read-out of an experimental run, which is essential for efficient data collection and the optimization of experimental conditions.

Olfactory Behaviors Assayed by Computer Tracking Of Drosophila in a Four-quadrant Olfactometer

We describe here a behavioral setup and data analysis method for assaying olfactory responses of up to 100 vinegar flies (Drosophila melanogaster). This system may be used with single or multiple olfactory stimuli, and adaptable for optogenetic activation or silencing of neuronal subsets.

Comportamenti olfattive analizzati da Computer di monitoraggio di<em&gt; Drosophila</em&gt; In un Olfattometro quattro quadranti

A key challenge in neurobiology is to understand how neural circuits function to guide appropriate animal behaviors. Drosophila melanogaster is an ...

SwarmSight: Real-time Tracking of Insect Antenna Movements and Proboscis Extension Reflex Using a Common Preparation and Conventional Hardware

Many scientifically and agriculturally important insects use antennae to detect the presence of volatile chemical compounds and extend their proboscis during feeding. The ability to rapidly obtain high-resolution measurements of natural antenna and proboscis movements and assess how they change in response to chemical, developmental, and genetic manipulations can aid the understanding of insect behavior. By extending our previous work on assessing aggregate insect swarm or animal group movements from natural and laboratory videos using the video analysis software SwarmSight, we developed a novel, free, and open-source software module, SwarmSight Appendage Tracking (SwarmSight.org) for frame-by-frame tracking of insect antenna and proboscis positions from conventional web camera videos using conventional computers. The software processes frames about 120 times faster than humans, performs at better than human accuracy, and, using 30 frames per second (fps) videos, can capture antennal dynamics up to 15 Hz. The software was used to track the antennal response of honey bees to two odors and found significant mean antennal retractions away from the odor source about 1 s after odor presentation. We observed antenna position density heat map cluster formation and cluster and mean angle dependence on odor concentration.

This protocol describes steps for using the novel software, SwarmSight, for frame-by-frame tracking of insect antenna and proboscis positions from conventional web camera videos using conventional computers. The free, open-source software processes frames about 120 times faster than humans and performs at better than human accuracy.

SwarmSight: Monitoraggio in tempo reale dei movimenti di Antenna dell'insetto e proboscide estensione Reflex utilizzando una preparazione comune e Hardware convenzionali

Many scientifically and agriculturally important insects use antennae to detect the presence of volatile chemical compounds and extend their proboscis ...

Robot Insect-controllato: una piattaforma mobile Robot per valutare la capacità odore-tracking di un insetto

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