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. Deneysel Hayvan <ol><li> Onların eclosion kadar erkek silkmoths ve pupa (B. mori) tutmak için bir plastik kutu hazırlayın. Put kağıt altındaki havlu ve kutu (Şekil 1A) iç duvarı etrafında karton parçaları. Not: eclosion (Şekil 1A) sırasında kanatlarını uzatırken yetişkin güveler tutmak için karton parçaları gereklidir. </li><li> Put erkek silkmoth (Bombyx mor i) kutusuna pupa ve 16 saat altında eclosion kadar bir kuluçka saklayın: 25 ° C&#39;de karanlık döngüsü: 8 saatlik ışık. NOT: erkek ve dişi pupa karın (Şekil 1B) seks işaretlerle ayırt edilebilir. </li><li> eclosion sonra yetişkin erkek pervane toplamak ve yeni bir kutu içine taşıyabilirsiniz. </li><li> 8 saat ışık: 16 saat altında bir inkübatör içerisinde yetişkin pervane tutun karanlık dönem ve deneyden önce etkinliklerini azaltmak için 15 ° C&#39;ye sıcaklık azalır. </li></ol> 2. silkmoth hayvan zinciri <ol><li> Tethering için bir ekin Fabrikasyon (Şekil 2A) Not: bağlanma onun ucunda ince bir plastik tabakanın bir şerit bir bakır telden oluşur. Bu (Şekil 2B) yürüyüş sırasında toraks dorsal-ventral hareketini sağlar. <ol><li> ince plastik levha bir şerit, 2 × 40 mm hazırlayın (kalınlık: 0.1 mm) ve orta katlayın. </li><li> bir yapıştırıcı ile bir bakır tel ucu katlanmış şerit takın. </li><li> Bir silkmoth toraks bağlı olduğu katlanır şeridin ucu kır. </li></ol></li><li> deney için ışık döneminde (2-8 gün) yetişkin güveler kullanın. Not: feromon hassasiyet kuvvetle sirkadiyen saat 18 bağlıdır. B. mori bir gündüz güve olduğu için, deney ışık dönemde yapılmalıdır. </li><li> Yavaşça dor tüm ölçekler kaldırmaksal ıslak doku (veya pamuklu çubukla) bir parçası kullanarak göğüs (mesonotum) ve mesonotum (Şekil 2C) manikür maruz. </li><li> Ek üzerindeki plastik şeridinde ve küçük bir düz uçlu tornavida ile maruz mesonotum yüzeyinde bir yapışkan yapıştırın ve yapışkan artık yapışkan olana kadar 5-10 dakika bekleyin. Not: Yapışkan kanat menteşe veya forewing tegulae (Şekil 2C) temas etmemelidir. </li><li> eke mesonotum Bond. </li><li> Robotun kokpit içine yerleştirmeden önce gergin güve tutun. Bir stand eki tutun ve güve dinlenmek için ayaklarının altına bir kağıt parçası koyun. </li></ol> 3. Böcek kontrollü Robot <ol><li> Önceki çalışmalarını 16,17,19 dayalı böcek kontrollü robot donanım tasarlayın. Not: Böcek kontrollü robot Captur için bir optik fare sensörü ile hava destekli koşu bandı oluşure böcek hareket, işleme ve motor kontrolü ve iki DC fırçasız motorlar için özel olarak oluşturulmuş AVR tabanlı mikroişlemci tahtaları (Şekil 3 ve 4). Robot 200 msn gecikmeli içinde,% 96 hassasiyet veya daha yüksek top rotasyon esasına göre çalışır. Ayrıca feromon izleme davranışı 16 sırasında silkmoth maksimum ileri hız hareketliliğini (24.8 mm / sn) ve açısal hız (96.3 ° / sn) sağlar. Teknede güve topa düzgün yürümeye ve iki anten tarafından bir koku elde etmek için koşu bandı (Şekil 5A) ve koku dağıtım sistemi (Şekil 5B) hava akımı tasarlanmıştır. koşu bandı hava emiş ve akış kanalı feromon kirlenmesini önlemek için koku verme sisteminin olanlardan ayrılır. </li><li> Önceki çalışmalarını 16 dayalı yerleşik mikroişlemcisi için yazılım tasarlayın. Not: Yerleşik mikroişlemci t hesaplarO bir optik algılayıcı ile ölçülen böcek hareketin robot hareketleri (dönme, Δ x, translasyon, Δ Y; Şekil 6). (Örneğin Δ L = olarak ö; hareket mesafesi (Δ L) ve her bir tekerleğin (sağ, Δ L R sol Δ L L) seyahat mesafesi esas alınarak hesaplanan robotun birim zaman başına açısı (Δθ) çevirin D tekerlekli iki tekerlek (120 mm) arasındaki mesafedir Δ L R) / D tekerlekli, - L L + Δ L R) / 2 ve Δθ = (Δ L L. Δ L, L ve Δ L R daha Δ L L olarak tanımlanmaktadır = Δ L X, L + Δ L Y, L ve Δ L R = Δ L X, R + Δ L Y, R, Δ L x L &lt;/ sub&gt; ve Δ U x, R Δ x tarafından kontrol sol ve sağ tarafta tekerleklerin seyahat mesafeleri ve Δ L y L ve Δ L y, R Δ y tarafından kontrol olanlardır. İdeal olarak, Δ U x, L ve Δ U x, R Δ L x L = -Δ L x R = G Δ x (D tekerleği / D top) ve Δ L y, L ve Δ L y olarak tarif edilmektedir , RG motor kazanç ve D&#39;top oyunu (50 mm) çapı olan Δ L, Y, L = Δ L Y, R = G Δ y olarak tarif edilmektedir. Uygulamada, motorlu kazanç bağımsız robot hareketini kalibre şekilde her iki tarafında (sağ veya sol tekerlek) ile ve her yönde (ileri ya da geri dönme) tarafından ayarlanır. Bağımsız kazançlar ayrıca izinRobotun bir dönüm önyargı oluşturmak için asimetrik motor dönme ayarı (adım 6.1). </li><li> beyaz genişletilmiş polistiren topun yüzeyini yıkamak (kütle: yaklaşık 2 gr; çap: 50 mm) su ile olası koku veya görsel ipuçlarını kaldırmak için. Not: Yeni bir topun yüzeyi topu bacaklarının tutuş sağlar gibi P400 gibi ince taneli zımpara kağıdı, ile roughed edilmelidir. </li><li> Koşu bandı 9 V havayı topu (Şekil 5A) yüzen fan fan açın. bilye dibinden yaklaşık 2 mm yüzer gözlemleyin. </li><li> Bir vida kullanarak, güve ile ekin bakır tel takmak (Şekil 3 inset bakınız) robotun kokpitte bir fikstür (bkz: adım 2). Orta bacakların konumu topu (Şekil 7A) merkezinde olduğundan emin olun. </li><li> b normalde yürümeye güve sağlamak için ekin dikey konumunu ayarlamakherşey. Öncesi ve güve (Şekil 7B) taktıktan sonra aynı yükseklikte topu tutun. Not: ekin bir çok-düşük pozisyon nedeniyle dikey konumda değişikliklere güve üzerindeki baskıyı ekler ve bir çok yüksek pozisyon kararsız yürüme ve sensör arızaları neden ise, basıncı (Şekil 7C) karşı geri yürüme ortaya çıkarır top (Şekil 7D). normal yürüme davranışını kontrol etmek için, bir tek şişirilmiş feromon uyarıcı güve yürüyüş tetiklemek için kullanılan (feromon uyarıcı için, adım 4&#39;e bakınız). bombykol önceki maruziyet silkmoths alıştırır ve onların hassasiyetini (Matsuyama ve Kanzaki, yayınlanmamış veri) azalır çünkü deney uyaran az olması gerektiğini unutmayın. </li></ol> 4. Koku Kaynak Hazırlama Not: Erkek B. Mori conspecific kadın cinsiyet feromonunun ana bileşeni duyarlı (bombykol: (E, Z) -10,12-hexadecadien-1-ol) <s&gt; 20 kadar. bombykol ile deneysel ekipmanların herhangi kirlenme koku izleme davranışı ortaya çıkaran ve güve yanıt etkiler. <ol><li> filtre kağıdı (yaklaşık 10 mm x 10 mm) içindeki bir parça n-heksan (200 ng / | il) içinde çözüldü bombykol çözeltisi 10 ul bırakın. filtre kağıdının birim başına bombykol miktarı 2.000 ng. Not: güve normal yürüme davranışını kontrol bu adımda bir feromon uyarıcı kartuşu hazırlamak. kartuş filtre kağıdının bir parçası bombykol 2.000 ng içeren bir cam Pasteur pipeti olduğunu. Bir ampul Pushing hava içeren bombykol ponponları. </li></ol> 5. Koku Kaynak Yerelleştirme Deneyi <ol><li> 0,7 m / sn ve set rüzgar hızı, bir çekme-hava-tipi rüzgar tüneli (Şekil 8 1800 × 900 × 300 mm, L x G x Y) ve fan açın. Sıcaklık en fazla 20 ° C olduğundan emin olun. </li><li> koku kaynağını ayarlayın (sRüzgar tünelinin yukan bombykol ihtiva eden filtre kağıdı) IECE. Not: bulut genişliği TiCI4 17,19 kullanarak deney öncesinde teyit edilmelidir. </li><li> Robotun mikrodenetleyici açın ve Bluetooth üzerinden bir PC&#39;ye bir seri bağlantı kurmak. </li><li> PC ve robot arasında bir arayüz sağlar &quot;Biyoişaret,&quot; adlı bir ısmarlama Java programı başlatın. Not: Ana pencere robot komutları göndermek için düğmeler içerir, parametrelerini yapılandırmak için girdi ve seri haberleşme çıkışı ve küçük kutularını görüntülemek için metin pencereleri. sonraki komutlar video çekimi dışında bu programda gelen düğmeleri tıklayarak gönderilir. </li><li> Belirtilen COM portu sayesinde robot bir komut göndererek bağlantıyı onaylamak ve bir mesaj robot tarafından döndürülen olup olmadığını kontrol etmek &quot;cihazla ilgili&quot; butonuna tıklayın. </li><li> &quot;Memo tıklayınry silme &quot;butonuna onboard flash bellek üzerinde sol önceki lokomosyon verileri silmek için. </li><li> robot varsayılan motorlu kazanımları göndermek için &quot;drivemode1&quot; butonuna tıklayın. Not: Motor kazanç ve böcek hareketlilik ve robot hareketi arasındaki zaman gecikmesi manipülasyonlar bu aşamadan sonra (adım 6.1 ve 6.3, Şekil 9) uygulanır. </li><li> Deney başlayana kadar robot hareketsiz bir komut göndermek için &quot;sürücü yok&quot; butonuna tıklayın. </li><li> Bir başlangıç ​​pozisyonuna (koku kaynağından 600 mm aşağı) de robot koyun ve motor sürücü kurulu anahtarını açın. </li><li> video yakalama başlatmak için kameranızın kayıt düğmesine basın. </li><li> onboard flash bellek top dönme eşzamanlı kaydı ile robot başlatmak için start komutu göndermek için &quot;rec başlangıç&quot; butonuna tıklayın. Robot hareket etmeye başlar ve koku tüy izler gözlemleyin. </li><li> Tıkla&quot;Rec stop&quot; ve robot koku kaynağı lokalize ise robot hareket ve kayıt hem de durdurmak için komutlar göndermek için düğmeler &quot;sürücü yok&quot;. </li><li> video yakalama durdurmak için kameranızın kayıt düğmesine basın. </li><li> İndir bir seri bağlantı ile bilgisayara onboard flash bellekten lokomosyon verileri kaydedildi. Programı kapat. </li></ol> Böcek kontrollü Robot 6. Manipülasyon Not: Her manipülasyon zamanlaması Şekil 9&#39;da gösterilir. <ol><li> Motor kazanımlarının Manipülasyon Not: Bu durum, manipülasyon robotun translasyon ve rotasyon hızı değiştirir. Asimetrik motorlu kazançlar böcekler yanlılık 17 telafi nasıl araştırmak için kullanılabilecek bir dönüm önyargı oluşturmak. <ol><li> Düzenleyerek th tarafından ileri ve her tarafta 17 (Şekil 6B) üzerine motorun geriye dönüş için dönme kazanımlar tanımlayıne yapılandırma dosyası bir metin düzenleyicisi kullanarak &quot;param2.txt&quot; adını verdi. </li><li> yazılım programında düzenlenmiş yapılandırma dosyasını okumak için &quot;set PARAM2&quot; üzerine tıklayın. Sonra, robot manipüle kazanımları göndermek için &quot;drivemode2&quot; üzerine tıklayın. </li></ol></li><li> Motor çıkış inversiyon Not: Bu manipülasyon ikili koku giriş ters benzer bir koşul sağlar (adım 6.4) ve bilateral olfaction önemini araştırmak için kullanılabilir. Fakat motor çıkış inversiyon da onboard güve kendine bağlı görsel hareketi tersine çevirir. Ters kendine bağlı görsel giriş etkisi ters koku giriş 19 ile bir karşılaştırma ile değerlendirilebilir. <ol><li> Her motor için kumanda kabloları geçerek ikili motor kontrolü ters çevirin. </li></ol></li><li> Böcek hareketlilik ve robot hareketi arasındaki zaman gecikmesi manipülasyon. Not: Bu manipülasyonuRobotik koku takibi için duyusal-motor işleme harcanan zaman kabul edilebilir bir süre incelenmesi için izin verir. mikro bir tampon belleğe hareket verilerini depolayan ve sonra belirtilen süre geçtikten sonra işler. Robot 200 msn maksimum iç zaman gecikmesi olduğunu unutmayın; Bu nedenle, gerçek zaman gecikmesi belirtilen zaman gecikmesi artı 200 msn 16,17 olması bekleniyor. <ol><li> ana pencerenin küçük bir kutu giriş (0-10) bir sayı 100-msn adımlarda 0-1.000 msn&#39;den bir gecikme süresini belirtmek için. </li><li> zaman gecikmesi uygulamak için &quot;set gecikme&quot; butonuna tıklayın. </li></ol></li><li> koku giriş Manipülasyon. Not: Bu manipülasyon ikili koku girdi önemini araştırmak için kullanılabilir. Silkmoths bir dalgalanma yönü yüksek konsantrasyon tarafına 22 taraflıdır. <ol><li> emme borusu uçları arasındaki boşluğu değiştirmek veya değiştirmek için konumlarını tersher bir anten tarafından alınan koku konsantrasyonu farkı. </li></ol></li><li> Görsel giriş Manipülasyon Not: Bu manipülasyon koku takibi için görsel girdi rolünü araştırmaktır. <ol><li> sırasıyla, onboard güve yatay ve dikey görme alanı 105 ° ve 90 ° tıkar bir beyaz kağıt ile gölgelik örtün. </li></ol></li></ol>

The authors have nothing to disclose.

Bir silkmoth tarafından robotun başarılı bir şekilde kontrol için en önemli noktalar güve hava destekli topa düzgün yürümek izin ve stabil topun dönmesi ölçme. Bu nedenle, silkmoth tethering ve uygun pozisyonda topa üzerine monte Bu protokol kritik adımlar vardır. eki ya da topa güve uygunsuz konumlandırılması güve uygunsuz yapışma normal yürüme davranışını bozan ve / veya topun dönmesi ölçmek için optik sensör bir başarısızlık nedenleri üzerinde doğal olmayan baskı, neden olacaktır. polistiren topu pürüzlendirme kaymasını güve önlemek için de önemlidir. yanıt gergin güve lokomosyon uyaranı kokulara karşı ve sonraki robot hareketi dikkatle koku izleme testi (adım 3.6) öncesinde kontrol edilmelidir. o neredeyse sağlayan koşu bandı eğrilik azalır çünkü daha büyük bir topun kullanılması daha iyidirböcek ayakları düz düzlem. Burada kullanılan 50-mm çaplı topu silkmoths geleneksel bandı kurulumunda kullanılan ile karşılaştırıldığında nispeten küçük (çap: 75 mm) 24. topun atalet robot hareketleri sırasında göz ardı edilemez çünkü Ancak, daha büyük (ve daha ağır) top, dikkatle kullanılmalıdır. onboard güve bacakları robot hareketleri sırasında bir topun atalet kuvvet kaynaklı rotasyon dizginlemek yapamıyorsanız, robot güvesi herhangi yürüyüş olmadan sürekli salınım. deneyci diğer böcek türlerinin kullanımı göz önüne alındığında, bu nedenle, topu boyutu bacak kulpları ve bunların boyutlarının gücüne dayanarak seçilmelidir. koku kaynağı lokalizasyonu sırasında, deneyci de davranışını kontrol etmelisiniz güve-olsun onboard güve topa düzgün yürür ve robot hızla güve hamle olarak yanıt verir. o eki (bir çok düşük pozisyon çok fazla baskı aldığında silkmoth geriye yürüme sergiler, bkz <stRong&gt; Şekil 7) ve topun üzerinde kayma ya da baş, Şekil 5B) önündeki bölüm olarak (bir nesne dokunma Ön ayakların tekrarlayan hareketler. Böcek hareketlilik robot Kötü yanıt uygunsuz top pozisyonunda ya da (yaklaşık 30 dakika boyunca piller) pillerin tükenmesi nedeniyle. Böcek kontrollü robot sınırlaması onboard güve kesinlikle doğal olmayan koşullarda yer olmasıdır. Koşu bandı, koku dağıtım sistemi ve kokpit 90 mm yükseklik özgürce yürüyüş kelebekler tarafından satın olanlardan farklı duyusal bilgileri (mechanosensory, koku ve görsel) sağlar. Biz özgürce yürüyen silkmoths olanlar ile böcek kontrollü robot davranışları karşılaştırıldığında bu farklılıklar belli oldu. r Örneğin, koku kaynağı lokalizasyonu için aynı performans robot ve özgürce yürüyüş silkmoths arasında fark olmasına rağmen, yörüngelerobot, yan rüzgar yönü boyunca seyrek onlar tüy genişliği azalması (Şekil 10A, B) &#39;ye göre, koku kaynağını ulaştı silkmoths yakınsama özgürce yürüyen olanlarsa. Bu fark sadece dolayı robot ve kelebeklerin farklı boyutlarda etmektir. Özellikle, onboard güve ve tüp ucu arasındaki mesafe Koku moleküllerini aramak için aralığını belirler; Bu nedenle, büyük mesafe (robot: 100 mm; güve: anten ucuna toraks yaklaşık 10 mm) bile dumanın dışında etkinleştirmek için robot sağlar. Dahası, gölgelik güve dış ortamdan rüzgar yönünü alamazsınız. Koku izleme rüzgar yönü önemi henüz silkmoths 22 tespit edilmemiş olmasına rağmen, akış yönünün kullanılması, diğer organizmalar 5,6 koku-izleme için temel bir stratejidir. Çünkü koku verme sistemi tarafından üretilen uygulanan hava akışı, aynı zamanda zorBöyle hava akımını oluşturur ve silkmoths 25 koku alımını kolaylaştırır kanat çırparak etkisi olarak &quot;aktif algılama,&quot; hesaba. Denemecileri birden yöntemlerin kullanımını keşfetmek için bu tekniği kullanır Çünkü eğer bu sınırlamalar, robot deneyleri ile elde edilen sonuçlar doğal şartlarda 19 bozulmamış böcekler uygulanabilir olup olmadığı tartışılmalıdır. Böcek kontrollü robot böceklerin koku izleme yeteneği değerlendirilmesi için üç şart yerine: 1) böcek motorun doğrudan arabirim gerçek bir koku bulutunun içinde, 2) test kumanda robot komutları, ve 3) böcek yılların manipülasyon izin duyusal-motor sistemi. İlk olarak, bir böceğin, bir robot, bir robot kontrol edilmesi için sinir sinyallerinin kullanımı arasındaki ara ile ilgili, örneğin beyin-makine arayüzü 26 gibi alternatif bir yöntemdir. böcekler üzerinde çeşitli çalışmalar işbirliği için nöral sinyalleri veya elektromiyogramın kullanınBir robot ve kapalı geribildirim ntrol 27-30 döngüler. Ancak, bu yaklaşım nörobilim önemli ve devam eden araştırma konusu anlamlı motorlu komutları, ayıklamak için sinir sinyallerinin çözme gerektirir. Bu nedenle, robot kontrolü için böceklerin gerçek yürüme davranışı kullanımı robota böceğin motorlu komutları arayüzü doğrudan ve basit bir yoludur. İkincisi, robot davranır çevreyi ilgili, sanal gerçeklik kullanımı alternatif 13,31-33 olacaktır. Sanal gerçeklik daha kontrollü hallerde davranışsal deneyler bize sağlayan ve hava destekli koşu bandı görsel koşullar 24,34-36 hayvan hareketlilik ve nesil takibi için kullanılır olmuştur görme çalışmada, en başarılı olduğunu. o hassas akış kontrolü gerektirdiğinden Ancak, koku bilgi geribesleme kapanış teknik olarak zordur. optogenetics uygulanması olfaktori reseptör N aktif hale getirmek için, ancakolfaction sanal gerçeklik sınırlamaları aşmak olacak eurons 37-40, gerçek bir koku bulutunun bir cep robot kullanımı güvenilir bir koku alma kurmak için bir yol şu anda kapalı devre olacaktır. Son olarak, bir böceğin duyusal-motor sisteminin manipülasyona ilişkin, alternatif yaklaşımlar (örn, kesme veya duyu organları ya da 41 uzantıları kapsayan) böceklerin cerrahi manipülasyonlar olacaktır. Robot sağlayan Bununla birlikte, bizim robotik manipülasyon (adım 6 ve Şekil 11) robot platformunun 19 manipülasyonu ile elde böceklerin duyusal-motor sistemi, değiştirmek için bir non-invaziv ve geri dönüşümlü bir yol ve çeşitli parametrelerin kontrol edilebilirlik olduğunu bize çeşitli koşullar altında performansını test etmek için. Böcek kumandalı robot gelecekteki uygulamalar için iki önemli yönleri vardır. birinci yön ürünler içindir. Böcek duyusal-motor sistemi, i tarafından kontrol edilen özerk bir robot gibinsect kontrollü robot büyük ölçekli sinir ağları basitleştirilmiş Braitenberg araçlar 42 arasında değişen biyolojik modelleri ile uygulanan mobil robotlar için bir referans olacaktır. Böcek kumandalı robot aynı zamanda bir kamera uygulanması ve çarpışma-serbest koku izleme algoritmaları keşfetmek için çarpışmayı önlemek için bir algoritma gibi böcek koku takibi ile diğer yöntemlere, olası kombinasyonları test etmek için yararlı bir platform olacak. Ayrıca, robot özellikleri ince ayar bozulmamış böcekler daha iyi koku izleme performansı artırabilir. Biz hedef maddenin karakteristik kimyasallara tepki transgenik silkmoths 43 taklit eğer böcek yeteneği çeviri, tehlikeli maddelerin bulmak için bu robot kendisinin pratik kullanımı neden olabilir. Biz sorumluluk yönün ötesine robotik uygulamalar için biomimetic algoritmaları nasıl kullanmalıyım: Diğer taraftan, böcek kumandalı robot da önemli bir soru çıkaracağızböcekler ve robotlar arasında Rence? Örneğin, böcek koku reseptörleri böcek koku işleme ve koku kaynağı lokalizasyonu için sorumlu olan koku konsantrasyonu 44-46, yüksek hızlı zamansal dinamiklerini elde etmek için olağanüstü bir yeteneği var, ama çok geleneksel gaz sensörleri 4,29 kapasitesinin ötesindeki, 47. Nasıl da gelecekteki yönü olarak araştırılmalıdır robotların duyusal yeteneklerini karşılamak için biomimetic algoritma değiştirmek için. Diğer önemli yönü biyoloji için kesinlikle. Böcek kontrollü robot kapalı döngü deneysel bir platform olarak kabul edilebilir. Ayrıca, robotik manipülasyon olarak, böceğin duyusal-motor ilişkisini değiştirmek için bir non-invaziv bir şekilde, daha küçük böcek beyin, cevap öğrenmek ve yeni koşullara uyum nasıl araştırmak için uygulanacaktır.

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 border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="961">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:267px;">Male adult silkmoth 
			&#160;(Bombyx mori)</td>
			<td style="width:159px;"></td>
			<td style="width:171px;"></td>
			<td style="width:365px;">Rear from eggs, or purchase as pupae.</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:267px;">Incubator</td>
			<td style="width:159px;">Panasonic</td>
			<td style="width:171px;">MIR-254</td>
			<td style="width:365px;">Store pupae or adult silkmoths at a constant temperature, 238 L.</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:267px;">Plastic box</td>
			<td style="width:159px;">Sunplatec</td>
			<td style="width:171px;">O-3</td>
			<td style="width:365px;">Store pupae or adult silkmoths, 299 &#215; 224 &#215; 62 mm L &#215; W &#215; H.</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:267px;">Copper wire</td>
			<td style="width:159px;"></td>
			<td style="width:171px;"></td>
			<td style="width:365px;">2-mm diameter for the attachment. Any rigid bar can be used as an alternative for making the attachment to tether a silkmoth.&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:267px;">Plastic sheet</td>
			<td style="width:159px;">Kokuyo</td>
			<td style="width:171px;">VF-1420N</td>
			<td style="width:365px;">Sold as overhead projector film with thickness of 0.1 mm. Use at the tip of the attachment.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:267px;">Forceps</td>
			<td style="width:159px;">As one</td>
			<td style="width:171px;">5SA</td>
			<td style="width:365px;">Remove scales on the thorax.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:267px;">Adhesive</td>
			<td style="width:159px;">Konishi</td>
			<td style="width:171px;">G17</td>
			<td style="width:365px;">Bond a silkmoth to the attachment.</td>
		</tr>
		<tr height="93">
			<td height="93" style="height:93px;width:267px;">Insect-controlled robot</td>
			<td style="width:159px;">Custom</td>
			<td style="width:171px;"></td>
			<td style="width:365px;">Bearing an air-supported treadmill, an optical sensor, custom-built AVR-based microcontroller boards, and two DC brushless motors. It is powered by 8 &#215; AA and 3 &#215; 006P batteries.</td>
		</tr>
		<tr height="28">
			<td height="28" style="height:28px;width:267px;">Microcontroller</td>
			<td style="width:159px;">Atmel</td>
			<td style="width:171px;">ATMEGA8</td>
			<td style="width:365px;">A component of the insect-controlled robot.</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:267px;">DC blower</td>
			<td style="width:159px;">Nidec</td>
			<td style="width:171px;">A34342-55</td>
			<td style="width:365px;">A component of the insect-controlled robot for floating a ball in an air-supported treadmill.&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;width:267px;">DC fan</td>
			<td style="width:159px;">Minebea</td>
			<td style="width:171px;">1606KL-04W-B50</td>
			<td style="width:365px;">A component of the insect-controlled robot for suctioning air containing an odor.</td>
		</tr>
		<tr height="65">
			<td height="65" style="height:65px;width:267px;">Optical mouse sensor</td>
			<td style="width:159px;">Agilent technologies</td>
			<td style="width:171px;">HDNS-2000</td>
			<td style="width:365px;">A component of the insect-controlled robot, obtained from an optical mouse (M-GUWSRSV, Elecom, Japan).</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:267px;">Brushless motor</td>
			<td style="width:159px;">Maxon</td>
			<td style="width:171px;">EC-45</td>
			<td style="width:365px;">A component of the insect-controlled robot for driving a wheel.</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:267px;">White polystyrene ball</td>
			<td style="width:159px;"></td>
			<td style="width:171px;"></td>
			<td style="width:365px;">A component of the insect-controlled robot. Diameter 50 mm, mass approximately 2 g.</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:267px;">Bombykol: 
			&#160;(E,Z)-10,12-hexadecadien-1-ol</td>
			<td style="width:159px;">Shin-Etsu chemical</td>
			<td style="width:171px;"></td>
			<td style="width:365px;">Custom synthesis.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:267px;">n-hexane</td>
			<td style="width:159px;">Wako</td>
			<td style="width:171px;">085-00416</td>
			<td style="width:365px;">Solvent for bombykol.</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:267px;">Wind tunnel</td>
			<td style="width:159px;">Custom</td>
			<td style="width:171px;"></td>
			<td style="width:365px;">Pulling-air type, sized 1800 &#215; 900 &#215; 300 mm L &#215; W &#215; H.</td>
		</tr>
		<tr height="105">
			<td height="105" style="height:105px;width:267px;">BioSignal program</td>
			<td style="width:159px;">Custom</td>
			<td style="width:171px;"></td>
			<td style="width:365px;">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.&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:267px;">Camcorder</td>
			<td style="width:159px;">Sony</td>
			<td style="width:171px;">HDR-XR520V</td>
			<td style="width:365px;">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.

Biz burada bir koku kaynağının başarılı lokalizasyonu için gerekli olan böcek kontrollü robotun temel özelliklerini sunuyoruz. robot ve silkmoths, koku verme sisteminin etkinliği ve doğru ikili koku alma ve görsel verilerin önemini karşılaştırılması incelenmiştir. Özgürce yürüyüş kelebekler ve böcek kontrollü robot arasındaki koku izleme davranışları karşılaştırılması Şekil 10A ve B gösterilmiştir. Aynı koku şartlar altında, yürüyüş güveler ve robotlar hem% 100 başarı oranları (; robot, N = 7 kelebekler tarafından 7 denemeler yürüyüş güve, N = 10 kelebekler tarafından 10 denemeler) attı. Robot yürüme kelebeklerin kıyasla daha geniş yörüngeleri sergilenen rağmen, yürüyüş kelebekler ve robot arasındaki lokalizasyonu zamanında anlamlı bir farklılık (p oldu2; 0.05, Wilcoxon rank sum testi; güve, ortanca = 46.5 sn, IQR 69.6, 36.7 =; Robot, ortanca = 48.1 sn, IQR) 44.9, 61.9 =. Koku dağıtım sistemi (Şekil 5B) yerden 90 mm yerleştirilen onboard güve antenlerine yere yakın Odorant akışını sağlamak için gereklidir. Bu sistemde (emme boruları, fanlar ve gölgelik) olmadan, robot koku kaynağına doğru yönlendirmek ve durdurulana kadar çizerek devam edemedi (N = 5 kelebekler tarafından 10 denemeler Şekil 10C, başarısız). Programlanmış silkmoth davranışına göre, sürekli çevreleme bir silkmoth oryantasyon 21,22 sırasında feromon temas başarısız tipik bir davranıştır. Şekil 11 robot manipülasyonları gösteren temsili sonuçlarını gösterir. koku izleme için bir ikili koku giriş etkinliği değerlendirilmekteTüp ipuçları (6.4 adım) konumunu değiştirerek veya motor çıkışı (adım 6.2) ters çevrilerek ed. Dar aralıkta, 20 mm, N = 10 kelebekler tarafından 10 denemeler, sol ve sağ tüpler arasındaki iki farklı boşluklar (geniş boşluk [kontrol], 90 mm, N = 10 kelebekler tarafından 10 denemeler ile% 100 robot elde edilen başarı oranları; Şekil 11A, B) ve bu iki tüp pozisyonları (P&gt; 0.05, Steel&#39;in testi arasındaki lokalizasyonu zamanında anlamlı fark yoktu; Şekil 11E). (Anlamlı bir fark olmamasına rağmen Öte yandan, tüp ipuçları inversiyon, yan rüzgar yönünde yörüngeleri genişletti ve biraz lokalizasyonu zaman medyan arttı (her anten, tüp boşluğu = 90 mm karşı taraftan Deodorantını aldı) P&gt; 0.05, Steel&#39;in testi; Şekil 11C, E). Motor çıkış inversiyon ters olfacto olarak benzer bir durum sağlarry girdi; ayrıca, aynı zamanda yerleşik güvesi tarafından alınan kendine bağlı görsel hareketi tersine çevirir. Çünkü ters negatif görsel geribildirim (yani, pozitif geribesleme), robot bile önemli ölçüde yerelleştirme zaman uzamış koku bulutunun (Şekil 11D), içinde, çizerek devam etmiştir (p &lt;0.01, Steel&#39;in testi; Şekil 11E). ters koku girişi (C) ve ters motor çıkış (D) başarı oranları sırasıyla% 80 (N = 10 kelebekler tarafından 10 deneme) ve% 90.9 (11 güveler tarafından 11 çalışma) idi. Silkmoths duyusal-motor kontrol ayrıntılı bir açıklaması daha önceki çalışmaları 19 tarif edilmiştir. <img alt="Şekil 1" src="/files/ftp_upload/54802/54802fig1.jpg" /> Silkmoth pupa 1. saklama ve Şekil. (A), erkek pupa plastik bir kutu (sol) depolanır. yetişkin güveler b iç duvarı etrafında karton tutuneclosion (sağda) sırasında öküz. Pupa (B) Seks işaretleri. Her ok dokuzuncu karın erkek segmentinde, kadınlarda sekizinci karın segment ventral tarafında ince, boyuna çizgi ile &quot;X&quot; işareti ventral tarafında küçük bir nokta olduğunu gösterir. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54802/54802fig1large.jpg" target="_blank">Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a> <img alt="şekil 2" src="/files/ftp_upload/54802/54802fig2.jpg" /> Şekil 2. silkmoth hayvan zinciri. Bir silkmoth tethering için bir ekin (A) Fabrikasyon. üç adım (metne bakınız) 2.1.3 için 2.1.1 açıklanmıştır. Ince plastik tabakanın bir iki kat şerit dorsal-ventral hareketi emer bakır tel, ucunda bağlı olduğu yürüme sırasında mesonotum (Resim 2B bakınız). Telin diğer kavisli ucu handli içinng. (B) izleme feromon sırasında silkmoth Yüksek ve düşük tutum (femur ve ön ayakları [ok] ve tibia arasındaki açıyı bakınız). Mesonotum üzerindeki ölçekler (C) Temizleme (ok uçları ile gösterilir). sol ve sağ resim ise, önce ve sonra terazi uzaklaştırılmasını gösterir. forewing tegulae (kesikli çizgiler ile çevrili) sağlamdı. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54802/54802fig2large.jpg" target="_blank">Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a> <img alt="Şekil 3," src="/files/ftp_upload/54802/54802fig3.jpg" /> Şekil 3. robot böcek kontrollü. içerlek kokpit büyütülmüş görünümünü göstermektedir. (1) bir koşu bandı (hava destekli top, inset bakınız) A gergin silkmoth, (2) alarak, güve için (3) emme tüplerini (hava hızı, 0,5 m / sn) bir koku sağlamak için iki fanlar koku, (4) DC motor ve wheels, (5) mikro panoları, (6) topu hava beslemek için bir hava girişi (7) çevrimdışı video için izleme belirteçleri, (8), iki LED 9 (kokpit (280 lx) sabit aydınlatma tutmak analizleri ) silkmoth ve (10) eki bir fikstür hayvan zinciri için bir eki. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54802/54802fig3large.jpg" target="_blank">Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a> <img alt="Şekil 4," src="/files/ftp_upload/54802/54802fig4.jpg" /> 4. Donanım diyagramı Şekil. koşu bandı hava destekli topun dönme 1.5 kHz örnekleme hızında 0.254 mm çözünürlüğe sahip optik fare sensörü ile ölçüldü. mikrodenetleyiciler sensör çıkışından silkmoth yörüngesini hesaplanmış ve sol ve sağ tarafta iki DC motorları kontrol edilir. motorlar pozisyon geri besleme ile 1 kHz darbe genişlik modülasyonu tarafından tahrik edildidan yerleşik Hall sensörleri. Optik sensör çıkışı (yani, yerleşik güve davranışı) 5 Hz&#39;lik bir örnekleme hızında bir onboard flash bellek (8 Mbit) saklanan edildi. Bu veriler, bir robot hareketleri ile bütünleşik güve davranışını karşılaştırılması için kullanıldı. Bir bilgisayara (PC) ve robot arasındaki kablosuz iletişim sadece başlangıç ​​ve robot durdurmak ya da robot motor özelliklerini işlemek için komutları göndermek için kullanılan Bluetooth yoluyla elde edildi. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54802/54802fig4large.jpg" target="_blank">Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a> <img alt="Şekil 5," src="/files/ftp_upload/54802/54802fig5.jpg" /> Şekil koşu bandı ve koku dağıtım sistemi için 5. Hava akışı tasarımları. (A) Hava Akımı koşu bandı topu desteklemek. hava üfleme fa tarafından kokpit arkasında hava girişinin alınmıştırn; daha sonra bir kanaldan akan ve ısmarlama FRP fincan (ek) üzerine küçük delikler (1 mm çapında) dan üfledi. Kırmızı bir dikdörtgen tarafından çevrelenmiş fincanın üstten görünüşüdür içerlek gösterilmiştir. Kırmızı oklar hava akımını gösterir; beyaz ok, bir LED verici ile optik sensör; ve siyah ok, küçük delikli fincan. (B) koku verme sisteminin hava akımı. feromon içeren hava gölgelik bir bölüm ayrılmış her tarafta esnek polietilen tüp ucundan emilir ve aynı taraftaki anten teslim edildi. her iki tarafında hava akışı, kırmızı veya mavi oklarla gösterilir. Bu rakam Ando ve Kanzaki 19 modifiye edilmiştir. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54802/54802fig5large.jpg" target="_blank">Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a> <img alt="Şekil 6," src="/files/ftp_upload/54802/54802fig6.jpg" /> Böcek hareketin robot hareketinin 6. hesaplanması Şekil. (A) robot (Δ L) ve tekerlek hareketleri şematik bir çizimi (Δ L L ve sağ, Δ L R sol). Δθ, robot açısını çevirin. Hesaplaması için (B) Parametreler. Δ x ve Δ y topun dönme ve öteleme hareketleri temsil (pozitif değer saat yönünde veya ileri yönünü gösterir); D topu, topun çapı; D jantlar, tekerlekler arasındaki mesafe; G FW, L ve G BW L, ileri (FW) ya da sol tekerleğe (L) geriye (BW) Motorun dönme kazançları; G FW, R ve G SB, R, ileri veya sağ tekerleğin (R) geriye dönüş motorlu kazançlar. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54802/54802fig6large.jpg" target="_blank">Onu tıklayınız</a>E bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için. <img alt="Şekil 7," src="/files/ftp_upload/54802/54802fig7.jpg" /> Koşu bandı üzerinde bir gergin güve konumunun 7. Ayarı Şekil. (A) topa bir gergin güve lateral görünümü. Orta bacaklar topu (siyah ok) üst kısmında yer almalıdır. (B) güve uygun dikey konumu. güve arkasında optik sensör topun merkezini karşı karşıyadır. (Sol taraftan bakıldığında) normal ileri yürüme topu saat yönünde döner. (C) dikey pozisyon çok düşük (aşağı ok). silkmoth baskılara karşı ön ayaklarını uzatır ve (dönme yönünün tersine) geriye topu döndürür. (D) dikey pozisyon çok yüksek (yukarı ok). güve topu tutar ve onu havaya kaldırıyor. Güve ileri gerçekleştirebilirsiniz rağmen bu durumun 23 yürüyüş </s&gt; (Saat yönünde) yukarı, o topu kaldırdı ve konumunu değiştirir. top pozisyon dikey kaydırma topu ve sensör okuma başarısızlıkla sonuçlanır optik sensör arasındaki boşluğu artırır. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54802/54802fig7large.jpg" target="_blank">Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a> <img alt="Şekil 8," src="/files/ftp_upload/54802/54802fig8.jpg" /> 8. Rüzgar tüneli rakam. Hava bir mesh panelinde (kırmızı ok) ile süzüldü; daha sonra 900 (W) mm × bir kamera, 1500 (L) kayıt alanına girdi. koku kaynağı kayıt alanının memba yerleştirildi ve feromon kirlenmiş hava bir fan (mavi ok) ile dışarıda bitkin düştü. rüzgar tüneli ekstrüde polistren köpük yapıldı. Tavan şeffaf akrilik levha, ve zemin robot tekerlekleri kaymasını önlemek için bir kauçuk paspas oldu. koku kaynağı wcrosswind pozisyon ve örgü panelinden downwind 250 mm merkezinde yer olarak. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54802/54802fig8large.jpg" target="_blank">Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a> <img alt="Şekil 9," src="/files/ftp_upload/54802/54802fig9.jpg" /> Protokolde robot manipülasyonlar 9. Zamanlamaları Şekil. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54802/54802fig9large.jpg" target="_blank">Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a> <img alt="Şekil 10," src="/files/ftp_upload/54802/54802fig10.jpg" /> Şekil 10. Koku kaynak lokalizasyonu testi. (. Ando ve ark 17 verileri; N = 10 kelebekler tarafından 10 denemeler A) böcek kontrollü robot (Her panel silkmoths yörüngesini gösterir <stRong&gt; B; Koku dağıtım sistemi (C olmadan N = 7 güveleri), ve robot tarafından 7 denemeler N = 5 kelebekler tarafından 10 denemeler). güveler ya da robot bir koku kaynağı (çapraz işareti, bombykol 2.000 ng içeren filtre kağıt parçası) 600 mm downwind (ok başı) başladı. kısa veya lokalizasyonu için alınan en uzun süre ile denemeler sırasıyla kırmızı ve mavi çizgiler olarak gösterilir. Diğer başarılı çalışmalar gri renkli ve başarısız denemeler yeşildir. Bir daire lokalizasyon başarı yargılamak için hedef alanını belirtir. Hedef bölgenin çapı dahili güve ve koku kaynağı 17 arasında en küçük mesafe eşdeğer robot büyüklüğü temelinde tanımlandı. Bir ok rüzgar yönü (rüzgar hızı: 0.7 m / sn) gösterir ve çizgiler feromon bulutunun sınırlarını gösterir kesik. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54802/54802fig10large.jpg" target="_blank">Bir büyük görmek için tıklayınız</a>Bu rakamın sürümü. <img alt="Şekil 11," src="/files/ftp_upload/54802/54802fig11.jpg" /> 11. koku giriş Manipülasyon ve motor çıkışını Şekil. Dar bir aralık (B; (N = 10 güveler tarafından 10 çalışmalarda başarılı kontrolü, 90 mm, A); Her panel geniş tüp boşluğu ile robot (onboard güve pozisyonu) başarılı yörüngelerini gösteren 20 mm N = 10 güveleri), ters bir çok tüp boşluğu (C 10 çalışmalarda başarılı; başarılı; 8 ila 10 arasında çalışmalarda, n = 10 güveleri) ve ters motor çıkışı (D geniş tüp boşluğu başarılı 11 çalışmaların 10, N) 11 güveleri =. bombykol 2.000 ng içeren filtre kağıt parçası ile tekrarlayan hava ponponları çapraz işareti serbest bırakıldı. robot ile gri ve beyaz oklar ikili koku girdi ve moto yönelimleri göstermektedirr çıktı. Deney koşulları ve şekil açıklamaları için diğer Şekil 10 ile aynıdır. Dört koşulları (AD) kapsamında robotun lokalizasyonu (E) Saat. Bireysel veri bir kutu arsa özetlenmiştir. Kutunun sol ve sağ tarafları birinci ve üçüncü çeyrekleri gösterir ve çubuk medyan temsil eder. bıyık 1.5 × interkartil aralığını göstermektedir. Yıldız Steel testi (** p &lt;0.01) &#39;e göre, kontrol verilerinin (A) önemli bir fark olduğunu ortaya koymaktadır. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54802/54802fig11large.jpg" target="_blank">Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a>

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

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

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

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

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

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

An Experimental Platform to Study the Closed-loop Performance of Brain-machine Interfaces

The non-stationary nature and variability of neuronal signals is a fundamental problem in brain-machine interfacing. We developed a brain-machine interface to assess the robustness of different control-laws applied to a closed-loop image stabilization task. Taking advantage of the well-characterized fly visuomotor pathway we record the electrical activity from an identified, motion-sensitive neuron, H1, to control the yaw rotation of a two-wheeled robot. The robot is equipped with 2 high-speed video cameras providing visual motion input to a fly placed in front of 2 CRT computer monitors. The activity of the H1 neuron indicates the direction and relative speed of the robot's rotation. The neural activity is filtered and fed back into the steering system of the robot by means of proportional and proportional/adaptive control. Our goal is to test and optimize the performance of various control laws under closed-loop conditions for a broader application also in other brain machine interfaces.

We use a closed-loop fly-machine interface to investigate general principles in neuronal control.

Beyin-makine Arayüzler Kapalı döngü Performans Çalışması için Deneysel Bir Platform

The non-stationary nature and variability of neuronal signals is a fundamental problem in brain-machine interfacing. We developed a brain-machine ...

Nörobilim

Identification of Olfactory Volatiles using Gas Chromatography-Multi-unit Recordings (GCMR) in the Insect Antennal Lobe

All organisms inhabit a world full of sensory stimuli that determine their behavioral and physiological response to their environment. Olfaction is especially important in insects, which use their olfactory systems to respond to, and discriminate amongst, complex odor stimuli. These odors elicit behaviors that mediate processes such as reproduction and habitat selection1-3. Additionally, chemical sensing by insects mediates behaviors that are highly significant for agriculture and human health, including pollination4-6, herbivory of food crops7, and transmission of disease8,9. Identification of olfactory signals and their role in insect behavior is thus important for understanding both ecological processes and human food resources and well-being.
	To date, the identification of volatiles that drive insect behavior has been difficult and often tedious. Current techniques include gas chromatography-coupled electroantennogram recording (GC-EAG), and gas chromatography-coupled single sensillum recordings (GC-SSR)10-12. These techniques proved to be vital in the identification of bioactive compounds. We have developed a method that uses gas chromatography coupled to multi-channel electrophysiological recordings (termed 'GCMR') from neurons in the antennal lobe (AL; the insect's primary olfactory center)13,14. This state-of-the-art technique allows us to probe how odor information is represented in the insect brain. Moreover, because neural responses to odors at this level of olfactory processing are highly sensitive owing to the degree of convergence of the antenna's receptor neurons into AL neurons, AL recordings will allow the detection of active constituents of natural odors efficiently and with high sensitivity. Here we describe GCMR and give an example of its use.
	Several general steps are involved in the detection of bioactive volatiles and insect response. Volatiles first need to be collected from sources of interest (in this example we use flowers from the genus Mimulus (Phyrmaceae)) and characterized as needed using standard GC-MS techniques14-16. Insects are prepared for study using minimal dissection, after which a recording electrode is inserted into the antennal lobe and multi-channel neural recording begins. Post-processing of the neural data then reveals which particular odorants cause significant neural responses by the insect nervous system.
	Although the example we present here is specific to pollination studies, GCMR can be expanded to a wide range of study organisms and volatile sources. For instance, this method can be used in the identification of odorants attracting or repelling vector insects and crop pests. Moreover, GCMR can also be used to identify attractants for beneficial insects, such as pollinators. The technique may be expanded to non-insect subjects as well.

Identification of Olfactory Volatiles using Gas Chromatography-Multi-unit Recordings GCMR in the Insect Antennal Lobe

Olfactory cues mediate many different behaviors in insects, and are often complex mixtures comprised of tens to hundreds of volatile compounds. Using gas chromatography with multi-channel recording in the insect antennal lobe, we describe a method for the identification of bioactive compounds.

Böcek antennal Lob Gaz Kromatografisi-Multi-ünite Recordings (GCMR) kullanarak Olfaktör Uçuculuk tanımlanması

All  organisms inhabit a world full of sensory stimuli that determine their  behavioral and physiological response to their environment. Olfaction is ...

Determination of Photoreceptor Cell Spectral Sensitivity in an Insect Model from In Vivo Intracellular Recordings

Intracellular recording is a powerful technique used to determine how a single cell may respond to a given stimulus. In vision research, intracellular recording has historically been a common technique used to study sensitivities of individual photoreceptor cells to different light stimuli that is still being used today. However, there remains a dearth of detailed methodology in the literature for researchers wishing to replicate intracellular recording experiments in the eye. Here we present the insect as a model for examining eye physiology more generally. Insect photoreceptor cells are located near the surface of the eye and are therefore easy to reach, and many of the mechanisms involved in vision are conserved across animal phyla. We describe the basic procedure for in vivo intracellular recording of photoreceptor cells in the eye of a butterfly, with the goal of making this technique more accessible to researchers with little prior experience in electrophysiology. We introduce the basic equipment needed, how to prepare a live butterfly for recording, how to insert a glass microelectrode into a single cell, and finally the recording procedure itself. We also explain the basic analysis of raw response data for determining spectral sensitivity of individual cell types. Although our protocol focuses on determining spectral sensitivity, other stimuli (e.g., polarized light) and variations of the method are applicable to this setup.

Determination of Photoreceptor Cell Spectral Sensitivity in an Insect Model from In Vivo Intracellular Recordings

The electrophysiological technique of intracellular recording is demonstrated and used to determine spectral sensitivities of single photoreceptor cells in the compound eye of a butterfly.

bir Böcek Modeli fotoreseptör hücre spektral Duyarlılık Belirlenmesi<em&gt; İn Vivo</em&gt; Hücre içi Kayıtlar

Intracellular recording is a powerful technique used to determine how a single cell may respond to a given stimulus. In vision research, intracellular ...

Electrophysiological Method for Recording Intracellular Voltage Responses of Drosophila Photoreceptors and Interneurons to Light Stimuli In Vivo

Voltage responses of insect photoreceptors and visual interneurons can be accurately recorded with conventional sharp microelectrodes. The method described here enables the investigator to measure long-lasting (from minutes to hours) high-quality intracellular responses from single Drosophila R1-R6 photoreceptors and Large Monopolar Cells (LMCs) to light stimuli. Because the recording system has low noise, it can be used to study variability among individual cells in the fly eye, and how their outputs reflect the physical properties of the visual environment. We outline all key steps in performing this technique. The basic steps in constructing an appropriate electrophysiology set-up for recording, such as design and selection of the experimental equipment are described. We also explain how to prepare for recording by making appropriate (sharp) recording and (blunt) reference electrodes. Details are given on how to fix an intact fly in a bespoke fly-holder, prepare a small window in its eye and insert a recording electrode through this hole with minimal damage. We explain how to localize the center of a cell's receptive field, dark- or light-adapt the studied cell, and to record its voltage responses to dynamic light stimuli. Finally, we describe the criteria for stable normal recordings, show characteristic high-quality voltage responses of individual cells to different light stimuli, and briefly define how to quantify their signaling performance. Many aspects of the method are technically challenging and require practice and patience to master. But once learned and optimized for the investigator's experimental objectives, it grants outstanding in vivo neurophysiological data.

Electrophysiological Method for Recording Intracellular Voltage Responses of Drosophila Photoreceptors and Interneurons to Light Stimuli In Vivo

Sharp microelectrodes enable accurate electrophysiological characterization of photoreceptor and visual interneuron output in living Drosophila. Here we show how to use this method to record high-quality voltage responses of individual cells to controlled light stimulation. This method is ideal for studying neural information processing in insect compound eyes.

Recording Hücre içi Gerilim Yanıtları için Elektrofizyolojik Yöntem<em&gt; Drosophila</em&gt; Işık Uyaranların için Fotoreseptörler ve internöronlar<em&gt; İn Vivo</em

Voltage responses of insect photoreceptors and visual interneurons can be accurately recorded with conventional sharp microelectrodes. The method ...

Fabrication of High Contact-Density, Flat-Interface Nerve Electrodes for Recording and Stimulation Applications

Many attempts have been made to manufacture multi-contact nerve cuff electrodes that are safe, robust and reliable for long term neuroprosthetic applications. This protocol describes a fabrication technique of a modified cylindrical nerve cuff electrode to meet these criteria. Minimum computer-aided design and manufacturing (CAD and CAM) skills are necessary to consistently produce cuffs with high precision (contact placement 0.51 &#177; 0.04 mm) and various cuff sizes. The precision in spatially distributing the contacts and the ability to retain a predefined geometry accomplished with this design are two criteria essential to optimize the cuff&#39;s interface for selective recording and stimulation. The presented design also maximizes the flexibility in the longitudinal direction while maintaining sufficient rigidity in the transverse direction to reshape the nerve by using materials with different elasticities. The expansion of the cuff&#39;s cross sectional area as a result of increasing the pressure inside the cuff was observed to be 25% at 67 mm Hg. This test demonstrates the flexibility of the cuff and its response to nerve swelling post-implant. The stability of the contacts&#39; interface and recording quality were also examined with contacts&#39; impedance and signal-to-noise ratio metrics from a chronically implanted cuff (7.5 months), and observed to be 2.55 &#177; 0.25 k&#8486; and 5.10 &#177; 0.81 dB respectively.

This article provides a detailed description on the fabrication process of a high contact-density flat interface nerve electrode (FINE). This electrode is optimized for recording and stimulating neural activity selectively within peripheral nerves.

Kayıt ve Stimülasyon Uygulamaları için Yüksek İletişim-Yoğunluk Fabrikasyon, Düz Arayüz Sinir Elektrotlar

Many attempts have been made to manufacture multi-contact nerve cuff electrodes that are safe, robust and reliable for long term neuroprosthetic ...

An Improved Method for Collection of Cerebrospinal Fluid from Anesthetized Mice

The cerebrospinal fluid (CSF) is a valuable body fluid for analysis in neuroscience research. It is one of the fluids in closest contact with the central nervous system and thus, can be used to analyze the diseased state of the brain or spinal cord without directly accessing these tissues. However, in mice it is difficult to obtain from the cisterna magna due to its closeness to blood vessels, which often contaminate samples. The area for CSF collection in mice is also difficult to dissect to and often only small samples are obtained (maximum of 5-7 &#181;L or less). This protocol describes in detail a technique that improves on current methods of collection to minimize contamination from blood and allow for the abundant collection of CSF (on average 10-15 &#181;L can be collected). This technique can be used with other dissection methods for tissue collection from mice, as it does not impact any tissues during CSF extraction. Thus, the brain and spinal cord are not affected with this technique and remain intact. With greater CSF sample collection and purity, more analyses can be used with this fluid to further aid neuroscience research and better understand diseases affecting the brain and spinal cord.

This protocol describes an improved technique for the abundant collection of cerebrospinal fluid (CSF) with no contamination from blood. With greater sample collection and purity, more analyses can be performed using CSF to further our understanding of diseases that affect the brain and spinal cord.

Beyin omurilik sıvısı imzalat fareler gelen topluluğu için geliştirilmiş bir yöntem

The cerebrospinal fluid (CSF) is a valuable body fluid for analysis in neuroscience research. It is one of the fluids in closest contact with the central ...

A Rat Model of Central Fatigue Using a Modified Multiple Platform Method

In this article, we introduced a rat model of central fatigue using the modified multiple platform method (MMPM). The Multiple Platform box was designed as a water tank with narrow platforms on the bottom. The model rats were put into the tank and stood on the platforms for 14 h (18:00 - 8:00) per day for a consecutive 21 days, with a blank control group set for contrast. At the end of modeling, rats in the model group showed an obvious fatigued appearance. To assess the model, we performed several behavioral tests, including the open field test (OFT), the elevated plus maze (EPM) test, and the exhaustive swimming (ES) test. The results showed that anxiety, spatial cognition impairment, poor muscle performance, and declined voluntary activity presented in model rats confirm the diagnosis of&#160;central fatigue. Changes of the central neurotransmitters also verified the result. In conclusion, the model successfully simulated central fatigue, and future study with the model may help reveal the pathological mechanism of the disease.

Here, we present a protocol to introduce a rat model of central fatigue using the modified multiple platform method (MMPM).

Bir fare modeli değiştirilmiş bir kullanarak merkezi yorgunluk birden çok Platform yöntemi

In this article, we introduced a rat model of central fatigue using the modified multiple platform method (MMPM). The Multiple Platform box was designed ...

A Neurosphere Assay to Evaluate Endogenous Neural Stem Cell Activation in a Mouse Model of Minimal Spinal Cord Injury

Neural stem cells (NSCs) in the adult mammalian spinal cord are a relatively mitotically quiescent population of periventricular cells that can be studied in vitro using the neurosphere assay. This colony-forming assay is a powerful tool to study the response of NSCs to exogenous factors in a dish; however, this can also be used to study the effect of in vivo manipulations with the proper understanding of the strengths and limitations of the assay. One manipulation of the clinical interest is the effect of injury on endogenous NSC activation. Current models of spinal cord injury provide a challenge to study this as the severity of common contusion, compression, and transection models cause the destruction of the NSC niche at the site of the injury where the stem cells reside. Here, we describe a minimal injury model that causes localized damage at the superficial dorsolateral surface of the lower thoracic level (T7/8) of the adult mouse spinal cord. This injury model spares the central canal at the level of injury and permits analysis of the NSCs that reside at the level of the lesion at various time points following injury. Here, we show how the neurosphere assay can be utilized to study the activation of the two distinct, lineally-related, populations of NSCs that reside in the spinal cord periventricular region - primitive and definitive NSCs (pNSCs and dNSCs, respectively). We demonstrate how to isolate and culture these NSCs from the periventricular region at the level of injury and the white matter injury site. Our post-surgical spinal cord dissections show increased numbers of pNSC and dNSC-derived neurospheres from the periventricular region of injured cords compared to controls, speaking to their activation via injury. Furthermore, following injury, dNSC-derived neurospheres can be isolated from the injury site &#8212; demonstrating the ability of NSCs to migrate from their periventricular niche to sites of injury.

Here, we demonstrate the performance of a minimal spinal cord injury model in an adult mouse that spares the central canal niche housing endogenous neural stem cells (NSCs). We show how the neurosphere assay can be used to quantify activation and migration of definitive and primitive NSCs following injury.

Endojen nöral kök hücre etkinleştirme en az Medulla Spinalis Yaralanmalarında, fare modeli değerlendirmek için bir Neurosphere tahlil

Neural stem cells (NSCs) in the adult mammalian spinal cord are a relatively mitotically quiescent population of periventricular cells that can be studied ...

A Volumetric Method for Quantification of Cerebral Vasospasm in a Murine Model of Subarachnoid Hemorrhage

Subarachnoid hemorrhage (SAH) is a subtype of hemorrhagic stroke. Cerebral vasospasm that occurs in the aftermath of the bleeding is an important factor determining patient outcome and is therefore frequently taken as a study endpoint. However, in small animal studies on SAH, quantification of cerebral vasospasm is a major challenge. Here, an ex vivo method is presented that allows quantification of volumes of entire vessel segments, which can be used as an objective measure to quantify cerebral vasospasm. In a first step, endovascular casting of the cerebral vasculature is performed using a radiopaque casting agent. Then, cross-sectional imaging data are acquired by micro computed tomography. The final step involves 3-dimensional reconstruction of the virtual vascular tree, followed by an algorithm to calculate center lines and volumes of the selected vessel segments. The method resulted in a highly accurate virtual reconstruction of the cerebrovascular tree shown by a diameter-based comparison of anatomical samples with their virtual reconstructions. Compared with vessel diameters alone, the vessel volumes highlight the differences between vasospastic and non-vasospastic vessels shown in a series of SAH and sham-operated mice.

The goal of this article is to present a method that allows a 3-dimensional reconstruction of the cerebrovascular tree in mice after micro computed tomography and determination of volumes of entire vessel segments that can be used to quantify cerebral vasospasm in murine models of subarachnoid hemorrhage.

Subaraknoid kanama, bir fare modeli serebral Vasospasm miktar hacimsel bir yöntemi

Subarachnoid hemorrhage (SAH) is a subtype of hemorrhagic stroke. Cerebral vasospasm that occurs in the aftermath of the bleeding is an important factor ...

Functional MRI in Conjunction with a Novel MRI-compatible Hand-induced Robotic Device to Evaluate Rehabilitation of Individuals Recovering from Hand Grip Deficits

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) is a non-invasive magnetic resonance imaging technique that images brain activation in vivo, using endogenous deoxyhemoglobin as an endogenous contrast agent to detect changes in blood-level-dependent oxygenation (BOLD effect). We combined fMRI with a novel robotic device (MR-compatible hand-induced robotic device [MR_CHIROD]) so that a person in the scanner can execute a controlled motor task, hand-squeezing, which is a very important hand movement to study in neurological motor disease. We employed parallel imaging (generalized auto-calibrating partially parallel acquisitions [GRAPPA]), which allowed higher spatial resolution resulting in increased sensitivity to BOLD. The combination of fMRI with the hand-induced robotic device allowed precise control and monitoring of the task that was executed while a participant was in the scanner; this may prove to be of utility in rehabilitation of hand motor function in patients recovering from neurological deficits (e.g., stroke). Here we outline the protocol for using the current prototype of the MR_CHIROD during an fMRI scan.

We performed functional MRI using a novel MRI-compatible hand-induced robotic device to evaluate its utility for monitoring hand motor function in individuals recovering from neurological deficits.

El Kavrama Açıklarından Kurtulan Bireylerin Rehabilitasyonunun Değerlendirilmesinde Yeni MRI Uyumlu El Kaynaklı Robotik Cihazla Birlikte Fonksiyonel MRG

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) is a non-invasive magnetic resonance imaging technique that images brain activation in vivo, using endogenous ...