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

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

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. animal Experimental

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

2. Amarrar um Silkmoth

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

3. Robô controlado-Insecto

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

4. Preparação Fonte Odor

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

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

5. Odor Fonte Localization Experiment

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

6. A manipulação do robô controlado por Insect

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

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

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

A comparação dos comportamentos de odor-rastreamento entre traças livremente a pé e o robot controlado por insectos é mostrado na Figura 10A e B. Nas mesmas circunstâncias odor, ambas as traças de caminhada e os robôs marcou taxas de sucesso de 100% (andando traça, 10 ensaios por n = 10 traças; robô, 7 ensaios por n = 7 traças). Embora o robô exibiu trajectórias mais amplas em comparação com os das traças de passeio, não houve diferença significativa no tempo até à localização entre as traças de passeio e o robô (P2; 0,05, Wilcoxon rank sum; traça, mediana = 46,5 seg, IQR = 36,7, 69,6; robô, mediana = 48,1 seg, IQR = 44,9, 61,9).

É necessário para o fornecimento do fluxo de odorante perto do chão para as antenas da mariposa bordo do sistema de entrega de odor (Figura 5B) colocado 90 mm acima do chão. Sem este sistema (tubos de sucção, ventiladores, e o dossel), o robô não poderia orientar na direção da fonte de odor e continuou circulando até que parou (todos os 10 ensaios por n = 5 traças falhou, Figura 10C). De acordo com o comportamento silkmoth programada, circulando contínua é um comportamento típico quando uma mariposa não consegue entrar em contato com o feromônio durante a orientação ^21,22.

A Figura 11 mostra os resultados representativos que demonstram as manipulações do robô. A eficácia de uma entrada olfativa bilateral para odor-tracking foi Avaliado comed, alterando a posição das pontas de tubo (passo 6.4) ou, invertendo a saída do motor (Passo 6.2). As taxas de sucesso robô alcançado de 100%, com duas aberturas diferentes entre os tubos esquerdo e direito (grande diferença [controle], 90 mm, 10 ensaios por n = 10 traças; abertura estreita, 20 mm, 10 ensaios por n = 10 traças; a Figura 11A, B), e não houve diferença significativa no tempo até à localização entre essas duas posições de tubos (P> 0,05, teste de Steel; Figura 11E). Por outro lado, a inversão de pontas de tubo (cada antena recebeu o odorante do lado contralateral, lacuna tubo = 90 mm) alargado trajectórias ao longo da direcção do vento cruzado e um ligeiro aumento da mediana do tempo para a localização, apesar de não haver diferença significativa ( P> 0,05, teste de Steel; Figura 11C, E). A inversão da saída do motor fornece uma situação semelhante como o olfacto invertidoinput ry; Além disso, também inverte o movimento visual de auto-induzida recebido pela traça a bordo. Por causa de o feedback visual negativo invertido (isto é, o feedback positivo), o robô continua circulando, mesmo na pluma de odor (Figura 11D), que alongou significativamente o tempo de localização (P <0,01, teste de Steel; Figura 11E). As taxas de sucesso da entrada olfativa invertido (C) e a saída do motor invertido (D) foram de 80% (10 ensaios por n = 10 traças) e 90,9% (11 ensaios por 11 meses), respectivamente. Uma discussão mais detalhada do controlo sensório-motora em silkmoths é descrito no trabalho anterior ^19.

Figura 1. Armazenamento de pupas silkmoth. (A) pupas masculino são armazenadas em uma caixa de plástico (à esquerda). As traças adultas segurar o cartão em torno da parede interna do bboi durante a eclosão (direita). Marcações (B) Sexo de pupas. Cada seta indica uma pequena mancha no lado ventral do segmento abdominal nove do sexo masculino e uma marca "X" com uma linha fina, longitudinal no lado ventral do segmento abdominal oitavo do sexo feminino. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2. Amarrar uma mariposa. (A) A fabricação de um acessório para amarrar uma mariposa. As três etapas são descritas em 2.1.1 a 2.1.3 (ver texto). Uma tira dupla de folha de plástico fina foi ligado na extremidade do fio de cobre, o qual absorve o movimento dorso-ventral (ver Figura 2B) do mesonoto durante o caminhar. A outra ponta, curvadas do fio é para handling. (B) atitudes superiores e inferiores de uma mariposa durante rastreamento feromônio (ver o ângulo entre o fémur ea tíbia dos anteriores [setas]). (C) A remoção das escamas na mesonoto (indicado por setas). As imagens esquerda e direita mostra antes e depois da remoção de escamas, respectivamente. Os tegulae asas anteriores estavam intactos (cercado por linhas tracejadas). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3. Insect-controlado robô. A inserção mostra uma visão ampliada do cockpit. (1) A mariposa presa em uma escada rolante (uma bola apoiado pelo ar, ver caixa), (2) dois ventiladores para o fornecimento de um odor à traça (velocidade do ar, de 0,5 m / s), (3) tubos de sucção para tirar a odor, (4) motores de corrente contínua e wheELS, (5) as placas microcontrolador (6), uma entrada de ar para fornecer ar para a bola (7), marcadores de rastreamento de vídeo desligada análises, (8) de dois LEDs para manter a iluminação constante na cabine (280 lux), (9 ) um acessório para amarrar o silkmoth, e (10) um dispositivo elétrico do anexo. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4. Diagrama de Hardware. A rotação da bola suportados por ar na esteira foi medida por um sensor de rato óptico com uma resolução de 0,254 mm a uma taxa de amostragem de 1,5 kHz. Os microcontroladores calculou a trajetória da mariposa da saída do sensor e controlados dois motores CC nas laterais esquerda e direita. Os motores foram impulsionadas pela modulação por largura de pulso a 1 kHz, com retorno de posiçãoa partir de built-in sensores Hall. A saída do sensor óptico (isto é, o comportamento da traça a bordo) foi armazenado numa memória flash de bordo (8 Mbit), a uma taxa de amostragem de 5 Hz. Estes dados foram usados ​​para comparar o comportamento da traça a bordo com os movimentos do robô. A comunicação sem fio entre um computador (PC) eo robô foi conseguido através de Bluetooth, que só foi utilizado para enviar comandos para iniciar e parar o robô, ou para manipular as propriedades do motor do robô. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5. modelos de fluxo de ar para o tapete rolante e o sistema de libertação de odores. (A) do fluxo de ar para suportar a bola da esteira. O ar foi tomada a partir da entrada de ar atrás do cockpit por um fa blowerN; Em seguida, ele fluiu através de um canal e soprou para fora de pequenos orifícios (1 mm de diâmetro) em um copo FRP feito por encomenda (inserção). A vista de topo do copo rodeado por um rectângulo vermelho é representada na inserção. As setas vermelhas indicam o fluxo de ar; a seta branca, o sensor óptico com um transmissor LED; ea seta preta, a taça com pequenos furos. (B) O fluxo de ar do sistema de libertação de odores. O ar contendo a feromona foi aspirado a partir da ponta de um tubo de polietileno flexível de cada lado, separados por uma partição no dossel, e entregue à antena no lado ipsilateral. O fluxo de ar em cada lado é indicado pelas setas azuis ou vermelhas. Este valor foi modificado a partir Ando e Kanzaki ^19. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6. Cálculo do movimento do robô de locomoção inseto. (A) Um desenho esquemático do robô (Δ L) e os movimentos das rodas (esquerda, Δ G _G e direita, Δ L _R). Δθ, vire ângulo do robô. (B) Os parâmetros para o cálculo. Δ x e y Δ representam os movimentos de rotação e translação de uma bola (um valor positivo indica o sentido horário ou para a frente); _{Bola de} D, o diâmetro da bola; D _rodas, a distância entre as rodas; G _{FW, L} e G _{BW, L,} ganhos motores de frente (FW) ou (BW) rotação para trás da roda esquerda (L); G _{FW, R} e G _{BW, R,} ganhos motores de frente ou para trás rotação da roda direita (R). Por favor, clique delae para ver uma versão maior desta figura.

Figura 7. O ajuste da posição de uma mariposa presa na esteira. (A) A vista lateral de uma mariposa presa em uma bola. As pernas do meio deve ser colocada na parte superior da bola (seta preta). (B) A posição vertical apropriada de mariposa. O sensor óptico por trás da traça está virado para o centro da bola. andar para a frente normal gira a bola no sentido horário (visto do lado esquerdo). (C) A posição vertical é muito baixo (seta para baixo). O silkmoth estende as patas dianteiras para resistir às pressões e gira a bola para trás (rotação anti-horária). (D) A posição vertical é demasiado elevado (seta para cima). A mariposa segura a bola e levanta-se. Embora a traça pode executar a frente andando nessa situação ²³ (rotação no sentido horário), ele levanta a bola e muda a sua posição. O deslocamento vertical da posição da esfera aumenta a folga entre a bola e o sensor óptico, o que resulta numa falha de leitura do sensor. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 8. túnel de vento. O ar foi filtrada com um painel de malha (seta vermelha); Em seguida, ele entrou na área de gravação de uma câmara de vídeo, 1.500 (L) x 900 (W) mm. A fonte odor foi colocada a montante da área de gravação e o ar contaminado com feromônio estava exausto fora por um ventilador (seta azul). O túnel de vento foi feita de espuma de poliestireno extrudido. O teto era uma folha de acrílico transparente, eo chão estava um tapete de borracha para evitar deslizamento das rodas do robô. A fonte de odor Wcolocado no centro da posição vento cruzado e 250 mm a favor do vento a partir de painel de malha. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 9. Tempos de manipulações do robô no protocolo. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura teste de localização de origem 10. Odor. Cada painel mostra as trajetórias das silkmoths (A; 10 ensaios por n = 10 traças; dados de Ando et al ^17.), A controlada inseto robô ( B; 7 ensaios por n = 7 traças), e o robô sem o sistema de libertação de odores (C; 10 ensaios por n = 5 traças). As mariposas ou o robô começou a 600 mm na direção do vento (seta) a partir de uma fonte de odor (marca de cruz, um pedaço de papel de filtro que contém 2.000 ng de bombykol). Os testes com o mais curto ou o mais longo tempo levado para localização são indicados como linhas vermelhas e azuis, respectivamente. Os outros testes bem sucedidos são de cor cinza, e testes fracassados ​​são verdes. Um círculo indica a área de gol para julgar o sucesso na localização. O raio da área de meta foi definida com base no tamanho do robô, equivalente à distância mais próxima entre o bordo traça e a fonte de odor ^17. Uma seta indica a direção do vento (velocidade do vento: 0,7 m / s), e as linhas tracejadas indicam os limites da pluma feromônio. Por favor clique aqui para ver uma maiorversão desta figura.

Figura 11. Manipulação da entrada olfactiva e a saída do motor. Cada painel mostra trajectórias bem sucedidas do robô (a posição da traça a bordo) com uma folga ampla de tubo (A; controlo, a 90 mm, bem sucedida em todos os 10 ensaios por N = 10 traças), uma abertura estreita (B; 20 mm , bem sucedida em todos os 10 ensaios por N = 10 traças), um intervalo de largura de tubo invertido (C; bem sucedida em 8 dos 10 ensaios, n = 10 traças), e um gap de largura do tubo com a saída do motor invertida (D; bem sucedida em 10 de 11 ensaios, n = 11 traças). Os sopros de ar repetitivas através de um pedaço de papel de filtro que contém 2.000 ng de bombykol foram liberados da marca de cruz. As setas cinzentas e brancas com o robô indicar as orientações da entrada olfativa bilateral e motoR saída. As outras condições experimentais e descrições figura são os mesmos que na Figura 10. (E) Tempo para a localização do robô nas quatro condições (AD). Os dados individuais são resumidas em um gráfico de caixa. Os lados esquerdo e direito da caixa indicam o primeiro e o terceiro quartis, e a barra representa a mediana. Os bigodes indicar a faixa de 1,5 × interquartil. Os asteriscos indicam uma diferença significativa a partir dos dados de controlo (A), de acordo com o teste de Steel (** P <0,01). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Os pontos mais importantes para o controle bem sucedido do robô por um silkmoth estão deixando a traça caminhar sem problemas sobre a bola apoiado pelo ar ea forma estável medir a rotação de bola. Por isso, amarrar o silkmoth e montá-lo sobre a bola na posição apropriada são os passos críticos neste protocolo. adesão inadequada da mariposa para a fixação ou posicionamento inadequado da mariposa na bola irá causar pressão antinatural sobre ele, o que perturba o seu comportamento marcha normal e / ou provoca uma falha do sensor óptico para medir a rotação de bola. Rugosidade da esfera de poliestireno é também importante para evitar a traça de escorregar. A locomoção da mariposa presa em resposta ao odor estímulos eo movimento do robô subsequente deve ser cuidadosamente verificados antes do teste de rastreamento de odor (veja o passo 3.6).

O uso de uma bola maior é melhor porque diminui a curvatura da escada rolante, o qual fornece um quasesuperfície plana para as pernas de insetos. A esfera de diâmetro 50 mm usado aqui é relativamente pequena em comparação com a utilizada na configuração do tapete rolante convencional para silkmoths (diâmetro: 75 mm) ^24. No entanto, uma maior (e pesado) bola deve ser usado com cuidado, porque a inércia da bola não é insignificante durante os movimentos do robô. Se uma traça a bordo não pode restringir a rotação induzida por força inercial de uma bola durante os movimentos do robô pelas suas pernas, o robô oscila continuamente, sem qualquer caminhada pela traça. Quando experimentadores considerar a utilização de outras espécies de insectos, por conseguinte, o tamanho da bola deve ser seleccionada na base da força dos seus punhos de perna, bem como os seus tamanhos. Durante odor localização de fontes, experimentadores também deve verificar o comportamento da traça-se uma traça a bordo caminha bem na bola e o robô responde rapidamente como as traça movimentos. O silkmoth exibe curta para trás quando ele recebe muita pressão do anexo (uma posição demasiado baixa, ver Figura 7) e movimentos repetitivos dos anteriores se eles deslizam sobre a bola ou tocam um objecto (tal como a partição em frente da cabeça, a Figura 5B). Pobre capacidade de resposta do robô para a locomoção inseto é decorrente da inadequada posição da bola ou o esgotamento das pilhas (as pilhas duram cerca de 30 min).

A limitação do robô controlado por insetos é que a traça a bordo é, definitivamente, situado em circunstâncias não naturais. A esteira, o sistema de entrega odor, ea altura de 90 mm do cockpit fornecer informações diferentes sensorial (mecanosensorial, olfativo e visual) daqueles adquiridos por livremente a pé traças. Estas diferenças se tornou evidente quando comparamos os comportamentos do robô controlado por insectos com os de livre-pé silkmoths. Por exemplo, embora foi observado o mesmo desempenho para localização de fontes de odor entre o robô e livremente a pé silkmoths, as trajetórias do robot eram escassas ao longo da direcção de vento cruzado, ao passo que as do-pé livremente silkmoths convergiram quando alcançaram a fonte de odor, de acordo com a diminuição da largura da pluma (Figura 10A, B). Esta diferença é simplesmente devido aos diferentes tamanhos de robô e mariposas. Em particular, a distância entre o bordo e a traça da ponta do tubo determina o intervalo para pesquisar odorantes; portanto, a distância maior (robô: 100 mm; traça: cerca de 10 mm a partir do tórax até a ponta da antena) permitir que o robô para ativar mesmo fora da pluma. Além disso, a mariposa no dossel não pode receber a direção do vento a partir do ambiente externo. Embora o significado da direcção do vento para o odor de rastreamento ainda não foi determinada em silkmoths ^22, a utilização de direcção de fluxo é uma estratégia fundamental para o odor de rastreamento em outros organismos ^5,6. Devido ao fluxo de ar imposta gerado pelo sistema de libertação de odores, é também difícilpara dar conta "de detecção ativa", tais como o efeito de bater asa que gera fluxo de ar e facilita a recepção odor no silkmoths ^25. Devido a estas limitações, os experimentadores se empregar esta técnica para explorar a utilização de várias modalidades, deve ser discutido se os resultados obtidos por estas experiências robô pode ser aplicado a insectos intactos em condições naturais ^19.

O robot controlado por insectos satisfeitas três condições para a avaliação da capacidade de odor-rastreamento de insectos: 1) interface directo de motor de inseto comandos para robô de controle, 2) teste em uma pluma de odor verdadeiro, e 3) permitindo que a manipulação dos insectos de sistema sensório-motor. Em primeiro lugar, em relação à interface entre um insecto e um robô, a utilização de sinais neurais para o controlo de um robot, tais como uma interface de máquina ^cérebro-26, é uma técnica alternativa. Vários estudos sobre insetos usam sinais neurais ou eletromiogramas para control de um robô e feedback circuitos fechados ^27-30. No entanto, esta abordagem exige a decodificação de sinais neurais para extrair os comandos motores significativos, o que é um importante e permanente sujeito da pesquisa em neurociência. Portanto, o uso do comportamento curta real de insetos para controle do robô é uma maneira direta e simples para fazer a interface comandos motores do inseto com um robô. Em segundo lugar, em relação ao ambiente no qual o robô se comporta, o uso de realidade virtual seria uma alternativa ^13,31-33. A realidade virtual nos permite realizar experimentos comportamentais em situações mais controladas e é o mais bem sucedido no estudo da visão, onde a esteira apoiado pelo ar foi usado para rastrear a locomoção animal e de geração de circunstâncias visuais ^24,34-36. No entanto, fechando o circuito fechado de realimentação da informação olfativa é tecnicamente difícil, porque requer um controlo preciso do fluxo. Embora a aplicação de Optogenetics para activar o receptor n olfactivaeurons ^37-40 permite ultrapassar as limitações de realidade virtual no olfacto, a utilização de um robô móvel, em uma pluma de odor verdadeiro seria uma forma fiável para estabelecer um circuito fechado olfactiva no presente. Finalmente, quanto à manipulação do sistema sensório-motor de um inseto, abordagens alternativas seria manipulações cirúrgicas dos insetos (ou seja, o corte ou cobrindo os órgãos sensoriais ou apêndices ^41). No entanto, a manipulação robótica (passo 6 e Figura 11) é uma forma não-invasiva e reversível para alterar o sistema sensorial-motora de insectos, conseguido pela manipulação da plataforma do robô ^19, e a capacidade de controlo dos vários parâmetros do robot permite -nos testar seu desempenho sob várias circunstâncias.

O robô controlado por inseto tem duas principais indicações para futuras aplicações. A primeira direção é para a engenharia. Como um robô autónomo controlado pelo sistema sensório-motora de insectos, o Irobot controlado por nsect será uma referência para robôs móveis implementados com modelos biológicos, que vão desde veículos Braitenberg simplificados ⁴² a redes neurais em larga escala. O robô controlado por insetos também será uma plataforma útil para testar combinações possíveis de outras modalidades com odor de rastreamento de insetos, tais como a implementação de uma câmera e um algoritmo para evitar colisões para explorar algoritmos odor de rastreamento livre de colisão. Além disso, o ajuste fino das propriedades robô pode melhorar o desempenho de rastreamento odor melhor do que insetos intactos. Tal tradução da capacidade de insecto pode conduzir a uma utilização prática da presente robô próprio para encontrar materiais perigosos, se imitar as silkmoths transgénicos ⁴³ que respondem a produtos químicos característicos em um material alvo. Por outro lado, o robô controlado por insetos também vai levantar uma questão importante: Como devemos usar algoritmos biomiméticos para aplicações robóticas que se estendem para além do diferência entre insetos e robôs? Por exemplo, os receptores olfativos de insetos têm uma capacidade notável para adquirir dinâmica temporal de alta velocidade da concentração de odor ^44-46, que é responsável pelo inseto localização processamento e odor fonte olfativa, mas estão muito além das capacidades de sensores de gás convencionais ^{4,29, 47.} Como modificar o algoritmo biomimético para atender a capacidade sensorial de robôs também deve ser explorado como uma futura direção. O outro grande direção é definitivamente para a biologia. O robot controlado por insectos pode ser considerado como uma plataforma experimental de circuito fechado. Além disso, a manipulação robótica, uma forma não-invasiva para alterar relações sensório-motor do inseto, será ainda aplicada a investigar como o cérebro pequeno inseto pode responder, aprender e adaptar-se às novas circunstâncias.

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).