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.
Robot progettati per monitorare le perdite chimici in impianti industriali pericolosi 1 o tracce di esplosivi in campi di mine 2 affrontare lo stesso problema come gli insetti alla ricerca di cibo o alla ricerca di compagni di 3: la ricerca olfattiva è vincolato dalla fisica di trasporto turbolento 4. Il paesaggio concentrazione di vento carico di odori è discontinuo e si compone di patch sporadicamente si trovano. Un pre-requisito per la ricerca olfattiva è che le patch odore intermittenti vengono rilevati. A causa della sua elevata velocità e sensibilità 5-6, l'organo olfattivo di insetti fornisce un'opportunità unica per il rilevamento. Antenne insetto sono stati utilizzati in passato per rilevare non solo feromoni sessuali 7 ma anche sostanze chimiche che sono rilevanti per l'uomo, per esempio, composti volatili provenienti da cellule tumorali 8 o tossiche e illecite 9-11. Descriviamo qui un protocollo per l'utilizzo di antenne insetto su un robot autonomid presentare un proof of concept per il monitoraggio pennacchi odore alla loro fonte. La risposta globale di neuroni olfattivi è registrato in situ in forma di electroantennograms (EAG). Il nostro disegno sperimentale, basato su una intera preparazione insetto, consente registrazioni stabili entro un giorno lavorativo. In confronto, EAG sulle antenne escisse hanno una durata di 2 ore. Una interfaccia hardware custom / software è stato sviluppato tra gli elettrodi EAG e un robot. Il sistema di misurazione patch risolve odore singole fino a 10 Hz, che supera la scala temporale di sensori chimici artificiali 12. L'efficienza di sensori EAG per ricerche olfattive è ulteriormente dimostrato nel guidare il robot verso una sorgente di feromone. Utilizzando stimoli olfattivi identiche e sensori come in animali reali, la nostra piattaforma robotica fornisce un mezzo diretto per testare ipotesi biologiche su codifica olfattivo e strategie di ricerca 13. Può rivelarsi utile anche per rilevare altri odoranti di interesse dacombinando EAG da diverse specie di insetti in una configurazione naso bioelettronico 14 o utilizzando sensori di gas nanostrutturati che imitano gli insetti antenne 15.
Al giorno d'oggi, animali come i cani vengono spesso utilizzati in applicazioni di sicurezza e protezione che coinvolgono la localizzazione di perdite chimiche, droghe ed esplosivi a causa delle loro eccellenti capacità di rilevamento odore 16. Eppure, essi mostrano variazioni comportamentali, si stancano dopo un ampio lavoro, e richiedono frequenti riqualificazione come le loro prestazioni diminuisce nel tempo 17. Un modo per aggirare queste limitazioni è quello di sostituire i cani addestrati da robot olfattive.
Tuttavia, il monitoraggio profumi e le fonti di odore è una grande sfida nel campo della robotica. In ambienti turbolenti, il paesaggio di un pennacchio odore è molto eterogenea e instabile, e si compone di patch sporadicamente situato a 4. Anche a distanze moderate dalla sorgente, il più breve pochi metri, rilevazioni diventano sporadici e forniscono solo spunti intermittenza. Inoltre, gradienti di concentrazione locali durante i rilevamenti di solito non puntano verso la fonte. Dato discoontinuous flusso di informazioni e informazioni locali limitata quando i rilevamenti sono fatti come navigare un robot verso la sorgente?
E 'noto che gli insetti quali tarme maschi usano comunicazione chimica per localizzare con successo i loro compagni su lunghe distanze (centinaia di metri). Per farlo, adottano un comportamento stereotipato 18-20: essi impennata controvento su percependo una patch odore ed eseguire una ricerca avanzata chiamata fusione quando le informazioni odore svanisce. Questa strategia-surge fusione è puramente reattiva, cioè le azioni sono completamente determinate dalle percezioni attuali (eventi di rilevazione e non-rivelazione). Eppure, la sua attuazione sul robot olfattive aveva limitato successo in passato, perché la rilevazione delle patch odore è ostacolata dalla lentezza di sensori di gas artificiali.
Sensori metallo-ossido utilizzati nella maggior parte dei robot olfattive hanno tempi di risposta e di recupero di diverse decine di secondi, in modo che essi generalmente filtranole fluttuazioni di concentrazione riscontrati nei pennacchi turbolenti 21. Al contrario, il tempo di risposta di chemoreceptors insetti è molto più breve, ad esempio, il tempo di salita del electroantennograms insetti (EAG) è inferiore a 50 msec 22. Di conseguenza, utilizzando EAG insetti, impulsi odori sono risolti a frequenze di vari Hertz 23. Questa struttura rende sensori EAG adatto per il rilevamento di filamenti odore pennacchi naturali. Descriviamo qui un protocollo per l'incorporamento EAG insetti sui robot che consentono di ricerche olfattive efficienti con picchi e la colata strategie.
Quasi venti anni fa, Kanzaki ed i suoi colleghi pionieri l'idea di utilizzare EAG sui robot olfattive 29-30. La loro tecnica era originariamente basata su antenne asportato. Qui, abbiamo registrato da antenne intatta per migliorare la sensibilità e la durata della preparazione. Altri studi 31-32 anche notato la superiorità dei preparati di tutto il corpo oltre isolata antenne. Nei nostri esperimenti di robotica, abbiamo sperimentato registrazioni stabili entro un giorno. Al contrario, EAG registrato su isolato antenne hanno una durata di 2 ore (Figura 5).
La nostra piattaforma EAG-robot è stato sviluppato principalmente per testare ipotesi biologiche su codifica olfattiva e strategie di ricerca negli insetti 13. Simile a neuroni centrali che ricevono input da antenne degli insetti, abbiamo collegato un modello di neurone ad una vera antenna falena su un robot e condotto la rilevazione di feromoni in base al suo schema di accensione. Eventi di rilevamento e di non-rilevazione sono statipoi usato per guidare il robot verso la sorgente di feromone. La strategia di ricerca reattiva qui considerato è stato ispirato dai modelli comportamentali delle falene maschio attratti da un feromone sessuale. E ben eseguita in condizioni di laboratorio (Figura 6), consentendo la localizzazione di una sorgente a bassa emissione (dose di 10 mg feromone nel nostro caso contro i 10 mg in lavori precedenti 24) in una ricerca relativamente grande spazio (distanza iniziale dalla sorgente di 2 m contro i 10 cm di esperimenti precedenti 20-21).
Questi esperimenti robotici dovrebbero essere considerati come un proof of concept che dimostrano che le antenne di insetti sono adatti per le ricerche olfattivi robotici. Anche se le antenne di insetti sono noti per rispondere a gas tossici, droghe ed esplosivi 9-11, sono necessarie diverse estensioni per far fronte con le applicazioni del mondo reale. In primo luogo, un più sofisticato metodo di ricerca 34-36 può essere più efficiente a distanze oltre 10 m, quando la riacquisizionedel pennacchio diventa molto improbabile. In secondo luogo, può essere necessario combinare EAG da specie diverse in una configurazione naso bio-elettronica 14 per rilevare odoranti di interesse. In terzo luogo, capacità di rilevamento stereo ottenute registrando dalle due antenne dello stesso insetto può risultare vantaggioso in termini di efficacia. Due sensori impiegati in parallelo possono effettivamente aumentare la direzionalità. In quarto luogo, estensioni della strategia di ricerca per ricerche robotici collettivi sono 37 dovrebbe essere considerato per le applicazioni pratiche, anche se non sono biologicamente rilevante nel caso delle falene.
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 |