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.
الروبوتات المصممة لتتبع التسريبات الكيميائية الخطرة في المنشآت الصناعية 1 أو آثار المتفجرات في حقول الألغام الأرضية 2 وجه نفس المشكلة كما الحشرات تبحث عن الطعام أو البحث عن الاصحاب 3: يتم تقييد البحث حاسة الشم من قبل الفيزياء النقل المضطرب 4. المشهد تركيز الرياح تنقلها الروائح غير متقطع ويتكون من بقع تقع بشكل متقطع. وهناك شرط مسبق إلى البحث حاسة الشم هو أن يتم الكشف عن بقع رائحة متقطعة. بسبب سرعتها العالية وحساسية 5-6، الجهاز الشمي من الحشرات يوفر فرصة فريدة من نوعها للكشف. وقد استخدمت هوائيات الحشرات في الماضي للكشف ليس فقط الفيرومونات الجنس 7 ولكن أيضا المواد الكيميائية التي هي ذات الصلة إلى البشر، على سبيل المثال، مركبات طيارة الصادرة عن الخلايا السرطانية 8 أو المواد السامة وغير المشروعة 9-11. نحن هنا وصف بروتوكول لاستخدام هوائيات الحشرات على الروبوتات المستقلة ود تقديم إثبات المفهوم لتتبع رائحة أعمدة إلى مصدرها. يتم تسجيل استجابة عالمية من الخلايا العصبية الشمية في الموقع في شكل electroantennograms (EAGs). لدينا التصميم التجريبي، استنادا إلى إعداد الحشرات كله، يسمح التسجيلات مستقرة خلال يوم العمل. في المقارنة، EAGs على هوائيات رفعه يكون عمر من 2 ساعة. وقد تم تطوير واجهة الجهاز مخصص / برنامج بين الأقطاب EAG والروبوت. نظام القياس يحل بقع رائحة الفردية تصل إلى 10 هرتز، وهو ما يتجاوز النطاق الزمني لأجهزة استشعار كيميائية اصطناعية 12. وكذلك أثبتت كفاءة من أجهزة الاستشعار EAG لعمليات البحث حاسة الشم في قيادة الروبوت نحو مصدر فرمون. باستخدام المحفزات وأجهزة الاستشعار حاسة الشم متطابقة كما في الحيوانات الحقيقية، ويوفر منصة لدينا الروبوتية وسيلة مباشرة لاختبار الفرضيات البيولوجية حول الترميز حاسة الشم واستراتيجيات البحث 13. فإنه قد يثبت أيضا مفيدة للكشف عن عطر أخرى من المصالح من قبلالجمع بين EAGs من أنواع الحشرات المختلفة في تكوين الأنف bioelectronic 14 أو باستخدام أجهزة الاستشعار الغاز ذات البنية النانومترية التي تحاكي الحشرات هوائيات 15.
في الوقت الحاضر، وكثيرا ما تستخدم الحيوانات مثل الكلاب في تطبيقات السلامة والأمن التي تنطوي على توطين التسريبات الكيميائية والمخدرات والمتفجرات لما لها من ممتازة قدرات الكشف رائحة 16. حتى الآن، وأنها تظهر الاختلافات السلوكية، بالتعب بعد العمل المكثف، وتتطلب إعادة تدريب متكررة، ويقلل أدائها مع مرور الوقت 17. طريقة واحدة للتحايل على هذه القيود هو استبدال الكلاب المدربة من قبل الروبوتات حاسة الشم.
مع ذلك، وتتبع الروائح ومصادر الرائحة يشكل تحديا كبيرا في مجال الروبوتات. في بيئات مضطربة، والمناظر الطبيعية من عمود رائحة غير متجانسة للغاية وغير مستقرة، ويتكون من بقع تقع بشكل متقطع 4. حتى على مسافات متوسطة من المصدر، قصيرة قدر بضعة أمتار، المكتشفة تصبح متقطعة وتقديم العظة فقط بشكل متقطع. علاوة على ذلك، التدرجات تركيز المحلية خلال المكتشفة لا تشير عموما نحو المصدر. قرص معينتدفق ontinuous المعلومات والمعلومات المحلية محدودة عندما تتم اكتشافات كيفية التنقل روبوت نحو مصدر؟
ومن المعروف جيدا أن الحشرات مثل العث الذكور استخدام الاتصالات الكيميائية لتحديد أقرانهم بنجاح لمسافات طويلة (مئات الأمتار). للقيام بذلك، فإنها تبني السلوك النمطية 18-20: أنها ترتفع عكس الريح على استشعار رائحة التصحيح وإجراء بحث موسع دعا الصب عندما تختفي الرائحة المعلومات. هذه الاستراتيجية الصب تصاعد رد الفعل هو محض، ويتم تحديد الإجراءات تماما من أي تصورات الحالية (الكشف وعدم الكشف عن الأحداث). حتى الآن، وتنفيذه على الروبوتات حاسة الشم قد النجاح في الماضي محدودة بسبب الكشف عن بقع رائحة يعوقه بطء أجهزة الاستشعار الغاز الاصطناعي.
أجهزة الاستشعار أكسيد المعدن الذي يستخدم في معظم الروبوتات حاسة الشم لديهم الاستجابة والإنعاش مرات عدة عشرات ثانية بحيث تصفية عموما خارجتقلبات تركيز اجه في أعمدة مضطربة 21. في المقابل، فإن زمن الاستجابة من المستقبلات الكيميائية للحشرات هو أقصر من ذلك بكثير، على سبيل المثال، في الوقت صعود electroantennograms الحشرات (EAGs) هو أقل من 50 ميللي ثانية 22. بالتالي، باستخدام EAGs الحشرات، ويتم حل البقول رائحة بترددات عدة هيرتز 23. هذه الخاصية يجعل أجهزة الاستشعار EAG مناسبة تماما للكشف عن خيوط رائحة في أعمدة الطبيعية. نحن هنا وصف بروتوكول لتضمين EAGs الحشرات على الروبوتات السماح لعمليات البحث باستخدام حاسة الشم كفاءة وزيادة الصب الاستراتيجيات.
منذ ما يقرب من عشرين عاما، رائدة كانزاكي وزملاؤه فكرة استخدام الروبوتات EAGs على حاسة الشم 29-30. واستند في الأصل على تقنيتهم هوائيات رفعه. هنا، سجلنا من هوائيات سليمة لتحسين حساسية وعمر الإعداد. لاحظت دراسات أخرى أيضا 31-32 تفوق الاستعدادات كامل الجسم أكثر من هوائيات معزولة. في التجارب الروبوتية لدينا، ونحن من ذوي الخبرة التسجيلات مستقرة خلال يوم واحد. في المقابل، سجلت EAGs على هوائيات معزولة يكون عمر من 2 ساعة (الشكل 5).
لدينا منصة EAG الروبوتية وضعت أساسا لاختبار الفرضيات البيولوجية حول الترميز حاسة الشم واستراتيجيات البحث في الحشرات 13. مماثلة إلى الخلايا العصبية المركزية تلقي مدخلات من الهوائيات الحشرات، ونحن على اتصال نموذج الخلايا العصبية إلى هوائي فراشة حقيقية على الروبوت، وأجرى الكشف فرمون استنادا إلى نمط إطلاق النار فيها. كان الكشف وعدم الكشف عن الأحداثثم تستخدم لدفع الروبوت نحو مصدر فرمون. استلهم استراتيجية البحث على رد الفعل يعتبر هنا من الأنماط السلوكية من العث الذكور تجذبهم فرمون الجنس. فإنه أداء جيدا في الظروف المختبرية (الشكل 6)، والسماح للتوطين مصدر الانبعاثات المنخفضة (جرعة فرمون من 10 ميكروغرام في حالتنا مقابل 10 ملغ في العمل السابق 24) في مساحة كبيرة نسبيا البحث (المسافة الأولية من مصدر 2 م مقابل 10 سم في التجارب السابقة 20-21).
وينبغي النظر في هذه التجارب الروبوتية كدليل على مفهوم تبين أن الهوائيات الحشرات هي مناسبة لعمليات البحث حاسة الشم الروبوتية. على الرغم من أن المعروف هوائيات الحشرات للرد على الغازات السامة والمخدرات والمتفجرات 9-11، وهناك حاجة إلى العديد من ملحقات للتعامل مع تطبيقات العالم الحقيقي. أولا، طريقة بحث أكثر تطورا 34-36 قد يكون أكثر فعالية على مسافات أبعد من 10 م، عندما إعادة اكتسابهامن المستبعد جدا يصبح عمود. الثاني، فإنه قد يكون من الضروري الجمع بين EAGs من الأنواع المختلفة في تكوين الأنف الحيوية الإلكترونية 14 من أجل الكشف عن عطر المصالح. الثالثة، وقدرات الاستشعار ستيريو التي حصلت عليها من تسجيل اثنين من الهوائيات من نفس الحشرات قد تكون مفيدة من حيث الفعالية. اثنين من أجهزة الاستشعار المستخدمة في موازية قد تزيد في الواقع الاتجاهية. الرابعة، وتمديد استراتيجية البحث للتفتيش الروبوتية الجماعية هي 37 يجب أن يتم النظر في التطبيقات العملية حتى لو أنها ليست ذات الصلة من الناحية البيولوجية في حالة العث.
The authors have nothing to disclose.
This work was funded by the state program Investissements d’avenir managed by ANR (grant ANR-10-BINF-05 ‘Pherotaxis’).
Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
Agrotis ipsilon | PISC | moth | |
http://www-physiologie-insecte.versailles.inra.fr/indexenglish.php | |||
Robot Khepera III | K-team | Khe3Base + KorBotLE + KorWifi | |
www.k-team.com | |||
KoreIOLE | K-team | Input/output extension board | |
EAG-robot interface | LORIA | Custom-made hardware and software | |
www.loria.fr | |||
Sirene | LORIA | neuronal simulator sirene.gforge.inria.fr | |
Eagle | CadSoft www.cadsoftusa.com | PCB design software | |
Micromanipulator | Narishige / Bio-logic | UN-3C | |
Magnet base | Narishige/ Bio-logic | USM-6 | |
Adapter | Narishige/ Bio-logic | UX-6-6 | |
Rotule | Narishige/ Bio-logic | UPN-B | |
Micro scisors | MORIA / Phymep | 15371-92 | |
Stereo microscope Zeiss Stémi 2000 | Fisher Scientific | B19961 | |
Light source 20W KL200 | Fisher Scientific | W41745 | |
Narishige PC-10 Na PC-1 | Narishige | Narishige PC-10 | |
Capillaries Na PC-1 | Fisher scientific | C01065 | |
Pheromone cis-7-Dodecenyl acetate(Z7-12:OAc) | Sigma-Aldrich | 259829 | |
Pack of 3 pipettes | Eppendorf | 4910000514 | For pheromone dilution and deposition on paper filter |
2-20 µl/ 50-200 µl/ 100-1000 µl | |||
Gas sensor TGS2620 | Figaro www.figarosensor.com | Optional, for comparison with EAG | |
electrode puller | Narishige | PC-10 |