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

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

1. 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 olac...

Autonomous robots capable of finding an odor source can be important for the safety and security of society. They can be used for the detection of disaster victims, of drugs or explosive materials at an airport, and of hazardous material spills or leaks in the environment. At present, we rely entirely on well-trained animals (e.g., dogs) for these tasks, and robotic odor source localization has been strongly expected to relieve the workload of these animals. Finding an odor source is a challenging task for robots because odorants are distributed intermittently in an atmosphere1; therefore, continuous sampling of the odor concentration gradient is not always possible. Thus, a search strategy using intermittent odor cues is necessary for the achievement of robotic odor source localization2-4.
Odor source localization is essential for organism survival and includes tasks such as finding food, mating partners, and sites for oviposition. To overcome the difficulty in tracking patchy distributed odorants, organisms have evolved various behavioral strategies consisting of two fundamental behaviors: moving upstream during odor reception and cross-stream during cessation of odor reception5,6. These reactive strategies have been well-documented in insects and further combined with other modalities, such as wind direction and vision5-8. The insect behavioral models have also been useful examples for robotics3,9-11, in which behavioral algorithms or neural circuit models are implemented into mobile robots for the evaluation of odor source localization abilities10,12-15. From biomimetic perspectives, this "bottom-up" approach is certainly a fundamental way to develop biomimetic robots. However, the bottom-up approach is not a shortcut to obtaining a useful search strategy, because biological analyses are still ongoing, and the modeling of the sensory-motor systems behind insect behaviors has not been completed. Therefore, it is still unknown how such a biological system actually works as a controller of a robotic platform.
In this article, we demonstrate the protocol of a straightforward "top-down" approach to develop an odor-tracking mobile robot controlled by a biological system16,17. The robot is controlled by a real insect and can be regarded as a prototype of future insect-mimetic robots. In the robot's cockpit, a tethered adult male silkmoth (Bombyx mori) walked on an air-supported ball in response to the female sex pheromone, which was delivered to each antenna through air suction tubes. The ball rotations caused by the walking of the onboard moth were measured by an optical sensor and were translated into the movement of the two-wheeled robot. The advantage of this "hybrid" approach is that experimenters can investigate how the insect sensory-motor system works on the robotic platform where a pilot insect is in a closed loop between the robot and a real odor circumstance. The manipulation of the robotic hardware alters the closed loop; therefore, the insect-controlled robot is a useful platform for both engineers and biologists. For engineering, the robot represents the first steps of applying a biological model to meet the requirements for robotic tasks. For biology, the robot is an experimental platform for studying sensory-motor control under a closed loop.

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

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

Robotic odor source localization has been a challenging area and one to which biological knowledge has been expected to contribute, as finding odor sources is an essential task for organism survival. Insects are well-studied organisms with regard to odor tracking, and their behavioral strategies have been applied to mobile robots for evaluation. This "bottom-up" approach is a fundamental way to develop biomimetic robots; however, the biological analyses and the modeling of behavioral mechanisms are still ongoing. Therefore, it is still unknown how such a biological system actually works as the controller of a robotic platform. To answer this question, we have developed an insect-controlled robot in which a male adult silkmoth (Bombyx mori) drives a robot car in response to odor stimuli; this can be regarded as a prototype of a future insect-mimetic robot. In the cockpit of the robot, a tethered silkmoth walked on an air-supported ball and an optical sensor measured the ball rotations. These rotations were translated into the movement of the two-wheeled robot. The advantage of this "hybrid" approach is that experimenters can manipulate any parameter of the robot, which enables the evaluation of the odor-tracking capability of insects and provides useful suggestions for robotic odor-tracking. Furthermore, these manipulations are non-invasive ways to alter the sensory-motor relationship of a pilot insect and will be a useful technique for understanding adaptive behaviors.

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</...

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

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

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

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

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

Yüksek çözünürlüklü Ölçüm Drosophila Larva Koku-Driven Davranış

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

Biyoloji

Visually Mediated Odor Tracking During Flight in Drosophila

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

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

Drosophila Uçuş sırasında Görme aracılığı Koku Takibi

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

A Wind Tunnel for Odor Mediated Insect Behavioural Assays

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

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

Koku için bir rüzgar tüneli böcek davranış deneyleri aracılı

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

Davranış

Vertical T-maze Choice Assay for Arthropod Response to Odorants

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

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

Koku için Arthropod Tepki için Dikey T-labirent Seçim Testi

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

Using Insect Electroantennogram Sensors on Autonomous Robots for Olfactory Searches

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

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

Koku Aramalar için Otonom Robotlar Böcek elektroantenogram Sensörleri kullanarak

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

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

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

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

Koku Kaynağı Lokalizasyonu için Silkmoth Anteni Kullanan Elektroantenografi Tabanlı Biyo-hibrid Koku Tespit Drone

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

Mühendislik

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

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

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

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

Koku kılavuzluğunda Davranış Yüksek çözünürlüklü Niceleme<em&gt; Drosophila melanogaster</emKullanma&gt;<em&gt; Flywalk</em&gt; Paradigma

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

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

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

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

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

Of Bilgisayar İzleme tarafından Analiz Edilmiş Olfaktor Davranışlar<em&gt; Drosophila</em&gt; Dört kadranda olfactometer içinde

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

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

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

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

SwarmSight: Gerçek zamanlı izleme böcek anten hareketleri ve hortum uzantısı refleks bir ortak hazırlık ve geleneksel donanım kullanarak

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

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

Özet

Daha Fazla Video Keşfet

Bu videodaki bölümler