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.
Robots conçus pour suivre les fuites de produits chimiques dans les installations industrielles dangereuses 1 ou traces d'explosifs dans les champs de mines 2 face au même problème que les insectes en quête de nourriture ou à chercher des partenaires 3: la recherche olfactive est limitée par la physique du transport turbulent 4. Le paysage de la concentration de vent origine des odeurs est discontinue et se compose de plaques situées de façon sporadique. Une condition préalable à la recherche olfactive est que les correctifs d'odeurs intermittents sont détectés. En raison de sa grande vitesse et la sensibilité 5-6, l'organe olfactif des insectes offre une occasion unique pour la détection. Antennes d'insectes ont été utilisés dans le passé afin de détecter non seulement les phéromones sexuelles 7, mais aussi des produits chimiques qui sont pertinents pour les humains, par exemple les composés volatils issus de cellules cancéreuses 8 ou toxiques et illicites 9-11. Nous décrivons ici un protocole pour l'utilisation des antennes des insectes sur un des robots autonomesd présenter une preuve de concept pour le suivi des panaches d'odeurs à leur source. La réponse globale des neurones olfactifs est enregistré in situ sous forme de électroantennogrammes (GCE). Notre conception expérimentale, basée sur toute une préparation d'insectes, permet des enregistrements stables dans une journée de travail. En comparaison, GCE sur les antennes excisées ont une durée de vie de 2 heures. Une interface matériel personnalisé / logiciel a été développé entre les électrodes EAG et un robot. Le système de mesure d'odeur résout patchs individuels vers le haut à 10 Hz, ce qui est supérieur à l'échelle de temps des capteurs chimiques artificiels 12. L'efficacité des capteurs EAG pour les recherches olfactives est également démontré dans la conduite du robot vers une source de phéromone. En utilisant des stimuli olfactifs et des capteurs identiques chez les animaux réels, notre plate-forme robotique est un moyen direct pour tester des hypothèses biologiques sur le codage olfactif et les stratégies de recherche 13. Il peut également s'avérer bénéfique pour détecter d'autres substances odorantes d'intérêts parEAG combinant de différentes espèces d'insectes dans une configuration de nez bioélectronique 14 ou à l'aide des capteurs de gaz qui imitent nanostructurés insecte antennes 15.
Aujourd'hui, les animaux comme les chiens sont souvent utilisés dans des applications de sûreté et de sécurité qui impliquent la localisation de fuites de produits chimiques, de médicaments et d'explosifs en raison de leurs excellentes capacités de détection de l'odeur 16. Pourtant, ils présentent des variations de comportement, fatigués après d'importants travaux, et exigent le recyclage de fréquentes que leur rendement diminue au fil du temps 17. Une façon de contourner ces limites est de remplacer les chiens formés par des robots olfactifs.
Néanmoins, le suivi des parfums et des sources d'odeurs est un enjeu majeur de la robotique. Dans les environnements turbulents, le paysage d'un panache d'odeur est très hétérogène et instable, et se compose de plaques sporadiquement situé à 4. Même à des distances moyennes de la source, aussi courte que quelques mètres, les détections deviennent sporadiques et ne fournissent des repères par intermittence. En outre, les gradients de concentration locales pendant détections ne font généralement pas vers la source. Compte tenu de disqueflux CONTINUE de l'information et l'information locale limitée en cas de détections sont faites comment naviguer un robot vers la source?
Il est bien connu que les insectes tels que les papillons mâles utilisent la communication chimique pour localiser avec succès leurs camarades sur de longues distances (plusieurs centaines de mètres). Pour ce faire, ils adoptent un comportement stéréotypé 18-20: ils surtension au vent lors de la détection d'un patch odeur et d'effectuer une recherche étendue appelée coulée lorsque les informations de l'odeur disparaît. Cette stratégie de montée-casting est purement réactive, ie actions sont entièrement déterminés par les perceptions actuelles (événements de détection et de non-détection). Pourtant, sa mise en œuvre sur les robots olfactifs avait limité le succès dans le passé en raison de la détection de plaques d'odeur est entravée par la lenteur de capteurs de gaz artificiels.
Capteurs à oxyde métallique utilisés dans la plupart des robots olfactifs ont des temps de plusieurs dizaines de secondes intervention et de rétablissement afin qu'ils filtrent généralement surles fluctuations de concentration rencontrés dans les panaches turbulents 21. En revanche, le temps de chimiorécepteurs insectes de réponse est beaucoup plus courte, par exemple, le temps de montée de électroantennogrammes insectes (GCE) est inférieur à 50 msec 22. Par conséquent, en utilisant EAG insectes, des impulsions d'odeur sont réglés à des fréquences de plusieurs Hertz 23. Cette propriété rend les capteurs EAG bien adapté pour la détection des odeurs dans les filaments de plumes naturelles. Nous décrivons ici un protocole pour intégrer EAG insectes sur des robots permettant recherches olfactives efficaces en utilisant les surtensions et coulée stratégies.
Il ya près de vingt ans, Kanzaki et ses collègues pionniers de l'idée d'utiliser GCE sur les robots olfactifs 29-30. Leur technique était à l'origine basée sur les antennes excisée. Ici, nous avons enregistré de antennes intact pour améliorer la sensibilité et la durée de vie de la préparation. D'autres études 31-32 ont également remarqué la supériorité de la préparation du corps entier sur les antennes isolé. Dans nos expériences robotiques, nous avons connu des enregistrements stables dans la journée. En revanche, EAG enregistré sur les antennes isolé avoir une durée de vie de 2 heures (figure 5).
Notre plate-forme EAG-robot a été principalement développé pour tester des hypothèses biologiques sur le codage olfactif et les stratégies de recherche chez les insectes 13. Semblables à des neurones centraux recevant entrée de antennes des insectes, nous avons connecté un modèle de neurone à une antenne réelle de papillon sur un robot et effectué la détection des phéromones en fonction de son type de déclenchement. Les évènements de Détection et non détection étaientensuite utilisé pour entraîner le robot vers la source de phéromone. La stratégie de recherche réactive considéré ici a été inspiré par les comportements des papillons mâles attirés par une phéromone sexuelle. Il s'est bien dans des conditions de laboratoire (figure 6), permettant la localisation d'une source à faible émission (dose de phéromone de 10 pg dans notre cas contre 10 mg dans les travaux antérieurs 24) dans un espace relativement grand de recherche (distance initiale de la source de 2 m contre 10 cm dans les expériences précédentes 20-21).
Ces expériences robotiques devraient être considérés comme une preuve de concept démontrant que les antennes des insectes sont adaptés pour les recherches olfactives robotiques. Bien que les antennes des insectes sont connues pour répondre aux gaz toxiques, drogues et d'explosifs 9-11, plusieurs extensions sont nécessaires pour faire face aux applications du monde réel. Tout d'abord, une méthode de recherche plus sophistiqué 34-36 peut être plus efficace à des distances au-delà de 10 m, lorsque la réacquisitiondu panache devient très improbable. En second lieu, il peut être nécessaire de combiner EAGs d'espèces différentes dans une configuration de nez bio-électronique 14 afin de détecter les substances odorantes d'intérêts. Troisièmement, des capacités de détection stéréo obtenus par l'enregistrement des deux antennes de l'insecte peut s'avérer bénéfique en termes d'efficacité. Deux capteurs utilisés en parallèle peuvent en effet augmenter la directivité. Quatrièmement, les extensions de la stratégie de recherche à des recherches collectives robotiques sont 37 doit être considéré pour des applications pratiques, même si elles ne sont pas biologiquement pertinente dans le cas des papillons de nuit.
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 |