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.
机器人设计,在危险的工业设施1或爆炸的痕迹在地雷场2面对同样的问题,跟踪化学品泄漏昆虫觅食或寻找配偶3:嗅觉搜索是通过湍流输送4的物理限制。风传气味的浓度景观是不连续的,由零星位于补丁。一个先决条件嗅觉搜索的是间歇性的气味补丁检测。由于其高速度和灵敏度5-6,昆虫的嗅觉器官提供检测一个独特的机会。昆虫天线已被用于在过去检测不仅性信息素7,而且化学物质有关的人, 例如 ,挥发性化合物从癌细胞8或有毒的和非法物质9-11发出。我们在这里描述的协议使用昆虫触角上的自主机器人的D存在概念的跟踪气味的羽毛其来源证明。嗅觉神经元的全球反应被记录在原位 electroantennograms(EAGs)的形式。我们的实验设计的基础上,全虫准备,允许在一个工作日内稳定的录音。相比较而言,在切除触角EAGs有2小时的寿命。自定义硬件/软件接口是东亚运电极与机器人之间展开。测量系统可以解决个别气味补丁高达10赫兹,这超过了人工化学传感器12的时间刻度。 EAG传感器嗅觉检索数据的效率被进一步证实在驱动机器人朝向信息素的来源。通过使用相同的嗅觉刺激和传感器在现实的动物,我们的机器人平台为测试有关嗅觉编码和搜索策略13的生物学假说的直接手段。它也可能被证明有利于通过检测的权益外的气味从不同的昆虫种类结合EAGs在生物电子鼻配置14或使用纳米气体传感器,模仿昆虫触角15。
如今,动物,像狗经常用于涉及化学品泄漏,毒品和爆炸物的,因为其出色的嗅觉检测能力16本地化安全和安全应用。然而,他们表现出行为的变化,经过广泛的工作感到厌倦,并且需要频繁的再培训由于其性能随时 间下降17。绕过这些限制的方法之一是通过嗅觉机器人来取代训练有素的狗。
尽管如此,跟踪气味和臭味的来源是在机器人技术的一个重大挑战。在动荡的环境中,气味羽的景观是非常庞杂且不稳定,以及由零星位于补丁4。即使在从源头抓起,短则数米的距离适中,检测成为零星的,只提供线索断断续续。此外,在检测的局部浓度梯度一般不指向源。鉴于盘信息和有限的本地信息ontinuous流量检测时作出如何导航朝着源的机器人?
这是众所周知的昆虫,如雄蛾用化学通讯在长距离(几百米),成功地找到自己的伴侣。为此,他们采取一种刻板的行为18-20:他们迎风暴涨在检测气味的补丁并执行扩展的搜索称为铸造时的气味信息消失。此浪涌压铸策略是纯粹的反应, 即动作是由当前感知(检测和非检测事件)完全确定。然而,它的实施对嗅觉的机器人限制了在过去的成功,因为气味补丁的检测是由人工煤气传感器缓慢阻碍。
在大多数嗅觉机器人使用的金属氧化物传感器具有几十秒响应和恢复时间,以便它们通常过滤掉在动荡的羽状物21碰到的浓度波动。与此相反,昆虫化学感受器的响应时间要短得多, 例如 ,昆虫electroantennograms(EAGs)的上升时间小于50毫秒22。因此,通过使用昆虫EAGs,气味脉冲在几个赫兹23的频 率解析。这个特性使得EAG传感器非常适合于天然羽毛气味长丝的检测。我们在这里介绍一个协议,用于在机器人允许使用高效激增嗅觉搜索嵌入昆虫EAGs和铸造的策略。
几乎是二十年前,神崎和他的同事们率先使用EAGs嗅觉29-30机器人的想法。他们的技术最初是基于对离天线。在这里,我们从完好触角记录,以改善制剂的敏感性和寿命。其他的研究31-32也注意到的全身准备在隔离天线的优越性。在我们的机器人的实验中,我们经历了一天之内稳定的录音。与此相反,EAGs上记录分离的天线有2小时的寿命( 见图5)。
我们的东亚运动会-机器人平台的开发,主要以测试有关嗅觉编码和搜索策略,昆虫13生物学假说。类似昆虫的触角接收输入中枢神经元,我们连接的神经元模型对机器人真正蛾天线及进行信息素的检测是根据它的射击模式。检测和未检测次数分别为然后用来驱动朝向信息素的来源的机器人。这里考虑的反应检索策略的灵感来自于由一种性信息素吸引雄蛾的行为模式。它在实验室条件下( 图6)表现不错,允许低排放源在一个比较大的搜索空间(初始距离(在我们的案例中10微克与10毫克的前期工作24信息素剂量)从2米源的定位与10厘米以前的实验20-21)。
这些机器人的实验应该被视为一个概念证明表明昆虫的触角适合机器人嗅觉搜索。虽然昆虫的触角是已知的有毒气体,毒品和爆炸物9-11反应,都需要与现实世界的应用程序应对几个扩展。首先,在更复杂的搜索方法34-36可以是更有效的在距离超过10μm时,在重新捕获时的羽毛变得不太可能。第二,它可能需要从不同的物种中,为了检测利益气味分子结合EAGs在生物电子鼻的配置14。第三,通过从相同的昆虫的两个天线的记录获得立体声感测功能可以证明是有益的有效性方面。两个传感器并联使用的可能确实增加方向性。第四,搜索策略的延伸集体机器人搜索37顷应该考虑实际应用,即使他们不是在飞蛾的情况下,生物相关。
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 |