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

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

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. Экспериментальное животное

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

2. привязывать к шелкопряда

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

3. Насекомое управляемый робот

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

4. Источник Подготовка Запах

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

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

5. Запах Источник локализации Эксперимент

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

6. Манипуляция насекомых-контролируемого робота

Примечание: Время каждой манипуляции показано на рисунке 9.

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

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

Сравнение запаха отслеживания поведения между свободно-шагающих моли и робота насекомых управлением показан на фигуре 10А и В. При тех же обстоятельствах запах, как пешеходные моли и роботы набрал темпы успеха 100% (ходьба моли, 10 испытаний от N = 10; моли робот 7 испытаний от N = 7 моли). Хотя робот выставлены более широкие траектории по сравнению с теми оживших моли, не было существенной разницы во времени к локализации между пешеходными моли и робота (P2; 0,05, Вилкоксона критерий суммы рангов; моли, медиана = 46,5 сек, МКР = 36,7, 69,6; робот, медиана = 48,1 сек, МКР = 44.9, 61.9).

Система доставки запах (Рисунок 5В) необходим для подачи одоранта потока вблизи пола к антеннам бортовой моли размещено 90 мм над полом. Без этой системы (маслоприемниками, вентиляторов и навеса), робот не мог ориентироваться на источник запаха и продолжал кружить , пока он не остановился (все 10 испытаний по N = 5 моли не удалось, рис 10C). В соответствии с запрограммированным поведением шелкопряда, непрерывное кружение является типичное поведение , когда шелкопряда не удается связаться с феромон в процессе ориентации ^21,22.

На рисунке 11 показаны типичные результаты , демонстрирующие манипуляции робота. Эффективность двусторонней обонятельной вход для запаха слежения был evaluatред путем изменения положения кончиков трубки (шаг 6.4) или опрокидыванием мощность двигателя (шаг 6.2). Робот достигнуты показатели успеха 100% с двумя различными зазорами между левой и правой трубы (большой разрыв [управления], 90 мм, 10 испытаний по N = 10 моли; узкий зазор, 20 мм, 10 испытаний по N = 10 молей; Рисунок 11А, в), и не было никаких существенных различий во время локализации между этими двумя позициями трубки (P> 0,05, тест Стил; Рисунок 11E). С другой стороны, инверсия кончиков трубки (каждая антенна получила одоранта с контралатеральной стороны, труба зазор = 90 мм) уширенной траектории вдоль бокового направления и слегка повышенной медиану времени до локализации, хотя не было никакой существенной разницы ( P> 0,05, тест Стил; Рисунок 11C, E). Инверсия мощности двигателя обеспечивает аналогичную ситуацию как перевернутого olfactoвход гу; Кроме того, он также инвертирует самоиндуцированное визуальное движение принимаемого бортовой моли. Из-за перевернутого отрицательной визуальной обратной связи (то есть, положительный результат воздействия), робот продолжал кружась, даже в запахе факеле (рис 11d), что значительно удлиняется время локализации (P <0,01, тест Стил; Рисунок 11E). Показатели эффективности инвертированной обонятельной входа (C) и перевернутой мощности двигателя (D) было 80% (10 испытаний по N = 10 молей) и 90,9% (11 испытаний на 11 моли), соответственно. Подробное обсуждение управления сенсомоторного в silkmoths описана в предыдущей работе ^19.

Рисунок 1. Хранение шелкопряда куколок. (А) Мужской куколки хранится в пластиковой коробке (слева). Взрослые мотыльки держать картон вокруг внутренней стенки бвола во время вылупления (справа). (B) Секс маркировка куколок. Каждая стрелка указывает на небольшое пятно на вентральной стороне девятого сегмента брюшка самца и "X" знак с тонкой продольной линией, на брюшной стороне восьмого брюшного сегмента самки. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 2. привязывать к шелкопряда. (A) Изготовление приставкой для привязывания к шелкопряда. Три шага описаны в 2.1.1 2.1.3 (см текст). Двухкратного полоска тонкого пластикового листа была прикреплена на конце медной проволоки, который поглощает спинной-вентральной движение (см Фигура 2В) среднеспинки во время ходьбы. Другой, изогнутый кончик проволоки для handliнг. (B) Более высокие и более низкие отношения к шелкопряда во время феромона отслеживания (см угол между бедром и берцовой кости передних конечностей [стрелки]). (C) Удаление весов на спинке (указано стрелками). Левая и правая фотографии показывают до и после удаления чешуек, соответственно. Тегулы переднего крыла были целы (окружены пунктирными линиями). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 3. Насекомое управляемый робот. На врезке показан увеличенный вид кабины. (1) привязных шелкопряда на беговой дорожке (с мячом воздуха при поддержке см врезку), (2) два вентилятора для подачи запах к моли (скорость воздушного потока 0,5 м / с), (3) всасывающих трубок для взятия запах, (4) двигатели постоянного тока и WheELS, (5) Микроконтроллер платы, (6) воздухозаборник для подачи воздуха к шару, (7) Маркеры отслеживания для автономного видео анализа, (8) два светодиода, чтобы поддерживать постоянную освещенность в кабине (280 лк), (9 ) вложение для привязывания к шелкопряда, и (10) приспособление навесного оборудования. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 4. Схема оборудования. Вращение воздушного шара поддерживается в беговой дорожке измеряли с помощью оптического датчика мыши с разрешением 0,254 мм при частоте дискретизации 1,5 кГц. Микроконтроллеры рассчитали траекторию шелкопряда от выходного сигнала датчика и управляется двумя двигателями постоянного тока на левой и правой сторон. Двигатели были вызваны широтно-импульсной модуляцией на частоте 1 кГц, с обратной связью по положениюот встроенных датчиков Холла. Выходной оптический датчик (т.е. поведение бортового моли) хранился на бортовой флэш - памяти (8 Мбит) при частоте дискретизации 5 Гц. Эти данные были использованы для сравнения работы бортового моли с движениями робота. Беспроводная связь между компьютером (ПК) и робота была достигнута с помощью Bluetooth, который используется только для отправки команд для запуска и остановки робота или манипулировать свойствами двигателя робота. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 5. конструкции воздушных потоков для беговой дорожки и системы доставки запаха. (A) Расход воздуха , чтобы поддержать мяч беговой дорожки. Воздух был взят из забора воздуха позади кабины с помощью нагнетателя фап; тогда протекала через канал и задул из маленьких отверстий (диаметром 1 мм) на заказ FRP чашки (вставка). Вид сверху на чашку, окруженный красным прямоугольником показан на вставке. Красные стрелки указывают на поток воздуха; Белая стрелка, оптический датчик со светодиодным передатчиком; и черная стрелка, чашка с маленькими отверстиями. (Б) Поток воздуха из системы доставки запаха. Воздух, содержащий феромоны засасывание от кончика гибкой полиэтиленовой трубки на каждой стороне, отделенной перегородкой в ​​навесе, и подводимая к антенне на ипсилатеральной стороне. Расход воздуха на каждой стороне обозначается красными или синими стрелками. Эта цифра была изменена с Андо и Канзаки ^19. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 6. Расчет движения робота от передвижения насекомых. (А) Схематическое изображение робота (Δ L) и движения колес (левый, Д L _L и вправо, Δ L _R). Δθ, угол поворота робота. (B) Параметры для расчета. Δ Δ х и у представляют собой вращательных и поступательных движений шара (положительное значение указывает по часовой стрелке или вперед); D _шар, диаметр шара; D _{колеса,} расстояние между колесами; G _{FW, L} и G _{BW, L,} двигательные коэффициенты усиления вперед (FW) или назад (BW) вращения левого колеса (L); G _{FW, R} и G _{BW, R,} моторные коэффициенты усиления вперед или назад вращения правого колеса (R). Пожалуйста , нажмите еее, чтобы просмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 7. Регулировка положения привязанного моли на беговой дорожке. (А) вид сбоку тросовой моли на мяч. Средние ноги должны быть размещены в верхней части шара (черная стрелка). (B) Соответствующее вертикальное положение моли. Оптический датчик позади моли обращена к центру шара. Нормальный вперед ходьба поворачивает шарик по часовой стрелке (если смотреть с левой стороны). (С) Вертикальное положение слишком низкое (стрелка вниз). Шелкопряда расширяет передние ноги, чтобы противостоять давлению и поворачивает шар в обратном направлении (против часовой стрелки). (D) Вертикальное положение слишком высока (стрелка вверх). Моль держит мяч и поднимает его вверх. Хотя моли может выполнять вперед ходить в этой ситуации ²³ вверх (вращение по часовой стрелке), он поднимает мяч и смещает свою позицию. Вертикальное смещение шарового положение увеличивает разрыв между шаром и оптическим датчиком, что приводит к отказу от показаний датчика. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 8. аэродинамическая труба. Воздух фильтруется с сетчатая панель (красная стрелка); он затем вошел в область записи видеокамеры, 1500 (L) × 900 (Ш) мм. Источником запаха был помещен выше по потоку от области записи и феромон-загрязненный воздух был исчерпан снаружи с помощью вентилятора (синяя стрелка). Аэродинамическая труба была изготовлена ​​из экструдированного пенополистирола. Потолок был прозрачный акриловый лист, а пол был резиновый коврик, чтобы избежать скольжения робота колес. Источником запаха шпомещенными в центре бокового положения и 250 мм с подветренной стороны от панели сетки. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 9. таймингами манипуляций робота в протоколе. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 10. Запах тест локализации источника. Каждая панель показывает траектории silkmoths (A, 10 судебных процессов от N = 10; моли данные из Андо и др. ^17), робот насекомого под контролем ( B; 7 исследований по N = 7), моли и роботом без системы доставки запаха (C; 10 испытаний по N = 5 молей). В моли или робот начал 600 мм с подветренной стороны (стрелки) от источника запаха (крестик, лист фильтровальной бумаги, содержащей 2,000 нг бомбикол). Испытания с самой короткой или длинной время, необходимое для локализации обозначены как красные и синие линии, соответственно. Другие успешные испытания окрашены в серый цвет, и неудачные испытания зеленого цвета. Круг показывает область цели для суждения успеха в локализации. Радиус площади ворот была определена на основе размера робота, эквивалентного близкое расстояние между бортовой моли и источником ¹⁷ запаха. Стрелка показывает направление ветра (скорость ветра: 0,7 м / сек), и пунктирные линии указывают границы феромона факеле. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы увидеть увеличеннуюверсия этой фигуры.

Рисунок 11. Манипуляция обонятельной вход и выход двигателя. Каждая панель показывает успешные траектории робота (положение бортового моли) с зазором шириной трубки (A, управление, 90 мм, успешной во всех 10 испытаниях по N = 10 моли), узкий зазор (B; 20 мм , успешным во всех 10 испытаниях по N = 10 моли), зазор перевернутой шириной трубки (C; успешный в 8 из 10 испытаний, N = 10 моли) и щелевых широкополая трубка с перевернутой мощность двигателя (D, успешно 10 из 11 испытаний, N = 11 молей). Повторяющиеся воздух затяжек через кусок фильтровальной бумаги, содержащей 2,000 нг бомбикол были освобождены от крестик. Серые и белые стрелки с роботом указывают направления двустороннего обонятельной ввода и мотог выход. Другие условия эксперимента и описания фигуры такие же , как на рисунке 10. (Е) Время локализации робота при четырех условиях (AD). Индивидуальные данные обобщены в коробке участка. Левая и правая стороны коробки указывают на первый и третий квартили, а столбик представляет собой медиану. Усы указывают на диапазон 1,5 × межквартильный. Звездочки указывают на существенное отличие от управляющих данных (A), в соответствии с тестом Steel (** P <0,01). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Наиболее важные моменты для успешного управления роботом с помощью шелкопряда выпускающих мотылек ходить гладко на воздушном шаре при поддержке и стабильно измерять вращение мяча. Поэтому привязывать к шелкопряда и установки его на шару в соответствующем положении, являются критически важными шагами в этом протоколе. Неуместный адгезия моли к вложению или несоответствующего позиционирование моли на шаре вызовет неестественное давление на него, который возмущает ее нормальной ходьбе поведение и / или вызывает отказ оптического датчика для измерения вращения шарика. Шершевание полистирола мяч также имеет важное значение для предотвращения моли от скольжения. Локомоция привязанной моли в ответ на запах стимулов и последующее движение робота должны быть тщательно проверены перед испытанием на запах слежения (см шаг 3.6).

Использование большего шара лучше, потому что уменьшает кривизну беговой дорожки, которая обеспечивает почтиплоская для ног насекомых. Шар диаметром 50 мм , используемый здесь , относительно мала по сравнению с используемой в обычной установке беговой дорожке для silkmoths (диаметр: 75 мм) ^24. Тем не менее, больше (и тяжелее) шар должен использоваться с осторожностью, так как инерция шара не является пренебрежимо малым во время движения робота. Если на борту моли не может сдерживать инерциальной силы индуцированное вращение шара во время движения робота его ноги, робот непрерывно осциллирует без прогулки по мотылька. Когда экспериментаторы рассмотреть вопрос об использовании других видов насекомых, поэтому, размер шарика должен быть выбран на основе силы их захватов ног, а также их размеров. Во время локализации источника запаха, экспериментаторы должны также проверить поведение моли-ли ходит бортовой моли гладко на мяч и робот быстро реагирует как моли движется. Шелкопряда демонстрирует обратную ходьбе, когда он получает слишком большое давление от крепления (слишком низкого положения, см Рисунок 7) и повторяющиеся движения передних конечностей , если они скользят на шаре или потрогать объект (например, перегородки в передней части головы, Рисунок 5В). Плохо отзывчивость робота к передвижению насекомых происходит из-за неправильного положения шара или истощения батарей (батареи хватает примерно на 30 минут).

Ограничение робота насекомых управлением является то, что на борту моли, безусловно, находится под неестественных обстоятельствах. Беговая дорожка, система доставки запах, а высота 90 мм кабины обеспечивают различную сенсорную информацию (механосенсорных, обонятельные и визуальный) от тех, приобретенных свободно шагающих моли. Эти различия стало очевидным, когда мы сравнили поведение робота насекомых под контролем с теми свободно-silkmoths ходить. Например, хотя наблюдалась та же производительность для локализации источника запаха между роботом и свободно-прогулочных silkmoths, траектории гОбот были редкими вдоль бокового ветра направлении, в то время как таковые из свободно ходить silkmoths сходились , как они достигли источника запаха, в соответствии с уменьшением ширины факела (рис 10A, B). Это различие просто из-за различных размеров робота и моли. В частности, расстояние между бортовой моли и кончике трубки определяет диапазон для поиска отдушки; Следовательно, чем больше расстояние (робот: 100 мм; моли: приблизительно 10 мм от грудной клетки до кончика антенны) позволяют роботу активировать даже вне факеле. Кроме того, моли в навесе не может получить направление ветра от внешней среды. Хотя значение направления ветра для запаха отслеживания еще не определена в silkmoths ^22, использование направления потока является основной стратегией для запаха отслеживания в других организмах ^5,6. Из-за наложенного воздушным потоком, образуемый системой доставки запах, также труднодля учета «активного зондирования» , такие как эффект крыла хлопаньем , который генерирует поток воздуха и облегчает прием запаха в silkmoths ^25. Из - за этих ограничений, если экспериментаторы используют эту технику , чтобы исследовать использование нескольких методов, то следует обсудить , являются ли результаты , полученные с помощью этих экспериментов робот может быть применен к интактным насекомых в естественных условиях ^19.

Робот насекомое под контролем выполнил три требования для оценки способности запаха отслеживания насекомых: 1) прямое сопряжение двигателя насекомого команд роботу управления, 2) тестирование в реальном запаха факеле, и 3), что позволяет манипуляции х насекомых сенсорно-моторной системы. Во- первых, в отношении интерфейса между насекомым и роботом, с использованием нейронных сигналов для управления роботом, такие как интерфейс ²⁶ мозг-машина, альтернативный метод. Несколько исследований на насекомых используют нейронные сигналы или электромиограммы для сотрудничествауправляете робота и замкнутой петли обратной связи ^27-30. Тем не менее, этот подход требует декодирования нейросигналы, чтобы извлечь значимые моторные команды, что является важным и продолжающийся предмет исследования в области неврологии. Таким образом, использование фактической прогулки поведение насекомых для управления роботом является прямой и простой способ для взаимодействия команды двигательные насекомого к роботу. Во- вторых, что касается окружающей среды , в которой робот ведет себя, использование виртуальной реальности была бы альтернативой ^13,31-33. Виртуальная реальность позволяет проводить поведенческие эксперименты в более контролируемых ситуациях и является самым успешным в изучении зрения, где воздух при поддержке беговой дорожки используется для отслеживания передвижения животных и генерации визуальных обстоятельств ^24,34-36. Тем не менее, закрытие контура обонятельной информации является технически сложным, так как он требует точного управления потоком данных. Хотя применение оптогенетика для активации рецептора обонятельного пeurons ^37-40 будет преодолеть ограничения виртуальной реальности в обонянии, использование мобильного робота в режиме реального запаха шлейфе будет надежным способом установить обонятельного замкнутый контур в настоящее время . Наконец, что касается манипулирования системой сенсомоторного насекомого, альтернативные подходы были бы хирургические манипуляции насекомых (например, отрезные или покрывающие органы чувств или придатков ^41). Тем не менее, наша роботизированной манипуляции (шаг 6 и рисунок 11) является неинвазивным и обратимый способ изменить систему сенсорно-моторную насекомых, достигаемая манипуляции платформы робота ^19, и управляемость различных параметров робота позволяет нам, чтобы проверить его эффективность при различных обстоятельствах.

Робот насекомое управлением имеет два основных направления для будущих приложений. Первое направление для машиностроения. Как автономный робот, управляемый с насекомыми системой сенсомоторного, ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬnsect управляемый робот будет ссылка для мобильных роботов , реализованных с биологическими моделями, начиная от упрощенных транспортных средств Braitenberg ⁴² крупномасштабных нейронных сетей. Робот насекомое под контролем также будет полезной платформой для тестирования возможных комбинаций других методов с насекомыми запаха отслеживания, таких как реализация камеры и алгоритм предотвращения столкновений для изучения алгоритмов отслеживания запаха без столкновений. Кроме того, тонкая настройка свойств робота может улучшить запах отслеживания производительности лучше, чем интактных насекомых. Такой перевод способности насекомых может привести к практическому использованию этого самого робота для обнаружения опасных материалов, если мы подражаем трансгенные silkmoths ⁴³ , которые реагируют на характерных химических веществ в материале мишени. С другой стороны, робот насекомое управляемый также поднимет важный вопрос: Каким образом мы должны использовать биомиметических алгоритмы для роботизированных приложений, которые выходят за пределы сиситемахключение контакта между насекомыми и роботами? Например, обонятельные рецепторы насекомых имеют выдающуюся способность приобретать высокоскоростные временной динамики концентрации запаха ^44-46, которая отвечает за насекомых локализации обонятельного обработки и запах источника, но далеко за пределами возможностей обычных газовых датчиков ^{4,29, 47.} Как изменить алгоритм Biomimetic для удовлетворения сенсорную способность роботов также должны быть изучены в будущем направлении. Другим основным направлением, безусловно, для биологии. Робот насекомых под контролем можно рассматривать как с замкнутым контуром экспериментальной платформы. Кроме того, роботизированные манипуляции, неинвазивный способ изменить отношения сенсорно-моторную насекомого, в дальнейшем будет применяться для исследования, как маленький мозг насекомых может реагировать, учиться и адаптироваться к новым условиям.

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).