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.
Robôs projetados para rastrear vazamentos químicos em instalações industriais perigosos 1 ou vestígios de explosivos em campos de minas 2 enfrentam o mesmo problema como insetos em busca de alimento ou à procura de companheiros de 3: a busca olfativa é limitada pela física do transporte turbulento 4. A paisagem concentração de odores de vento suportado é descontínuo e consiste em manchas localizadas de forma esporádica. Um pré-requisito para a pesquisa olfativa é que são detectadas manchas odor intermitentes. Devido à sua alta velocidade e sensibilidade 5-6, o órgão olfativo de insetos fornece uma oportunidade única para a detecção. Antenas de insectos têm sido utilizados no passado para detectar não só as feromonas sexuais 7, mas também produtos químicos que são relevantes para os seres humanos, por exemplo, compostos voláteis que emanam a partir de células cancerosas 8 ou substâncias tóxicas e ilícitas 9-11. Descrevemos aqui um protocolo para a utilização de antenas de inseto em robôs autônomos umd apresentar uma prova de conceito para o rastreamento plumas de odor para a sua fonte. A resposta global dos neurónios olfactivos é gravado no local sob a forma de eletroantenografia (EAG). A nossa concepção experimental, com base em um conjunto de insectos preparação, permite gravações estáveis dentro de um dia de trabalho. Em comparação, EAG sobre antenas excisadas têm uma vida útil de 2 horas. Uma interface de hardware personalizado / software foi desenvolvido entre os eletrodos EAG e um robô. O sistema de medição resolve manchas odor individuais de até 10 Hz, o que ultrapassa a escala de tempo de sensores químicos artificiais 12. A eficiência de sensores EAG para pesquisas olfactivos é ainda demonstrada em dirigir o robô para uma fonte de feromona. Usando estímulos olfativos idênticas e sensores como em animais de verdade, a nossa plataforma robótico fornece um meio direto para testar hipóteses biológicas sobre estratégias de busca 13 codificação e olfativo. Ele também pode ser benéfico para a detecção de outros odores de interesse porcombinando EAG de diferentes espécies de insetos em uma configuração nariz bioeletrônico 14 ou através de sensores de gás nanoestruturados que imitam insetos antenas 15.
Hoje em dia, os animais como os cães são frequentemente utilizados em aplicações de segurança e de segurança que envolvem a localização de vazamentos de produtos químicos, drogas e explosivos por causa de suas excelentes capacidades de detecção de odor 16. No entanto, eles apresentam variações de comportamento, ficar cansado depois de um extenso trabalho e exigem reciclagem freqüente quanto o seu desempenho diminui ao longo do tempo 17. Uma maneira de contornar essas limitações é substituir cães treinados por robôs olfativos.
No entanto, seguindo aromas e fontes de odor é um grande desafio na robótica. Em ambientes turbulentos, a paisagem de uma pluma de odor é muito heterogêneo e instável, e consiste em manchas localizadas esporadicamente 4. Mesmo em distâncias moderadas a partir da fonte, tão curto quanto alguns metros, detecções esporádicas e tornar-se apenas fornecer sugestões de forma intermitente. Além disso, os gradientes de concentração locais durante as detecções não apontam geralmente para a fonte. Dada discofluxo ontinuous de informação e informação local limitado quando as detecções são feitas como navegar um robô em direção à fonte?
É sabido que os insetos, como traças masculinos usam comunicação química para conseguir localizar seus companheiros em longas distâncias (centenas de metros). Para fazê-lo, eles adotam um comportamento estereotipado 18-20: eles surgir contra o vento sobre a detecção de um patch de odor e realizar uma pesquisa extensa chamada de elenco quando a informação odor desaparece. Esta estratégia de fundição onda é puramente reativa, ou seja, as ações são completamente determinados por percepções atuais (eventos de detecção e de não detecção). No entanto, a sua implementação em robôs olfativos tinha sucesso no passado limitada porque a detecção de manchas de odor é dificultada pela lentidão dos sensores de gás artificiais.
Sensores de óxido de metal usados na maioria dos robôs olfactivas tem de resposta e tempos de recuperação de várias dezenas de segundos, de modo que, geralmente, filtraras flutuações de concentração encontradas em plumas de turbulência 21. Em contraste, o tempo de resposta de quimiorreceptores de insectos é muito mais curto, por exemplo, o tempo de subida de eletroantenografia insectos (EAG) é menos do que 50 ms 22. Consequentemente, usando EAG de insetos, pulsos de odor são resolvidos nas freqüências de vários Hertz 23. Esta propriedade faz com que os sensores EAG bem adequado para a detecção de odor nas plumas de filamentos naturais. Descrevemos aqui um protocolo para a incorporação de EAG insetos em robôs que permitem pesquisas olfativos eficientes usando onda e lançando estratégias.
Quase vinte anos atrás, Kanzaki e seus colegas foi pioneiro na idéia de usar EAG em robôs olfativos 29-30. Sua técnica foi originalmente baseado em antenas extirpado. Aqui, nós gravamos de antenas intactas para melhorar a sensibilidade eo tempo de vida da preparação. Outros estudos 31-32 também notou a superioridade dos preparativos de corpo inteiro mais isolado antenas. Em nossos experimentos robóticos, tivemos gravações estáveis dentro de um dia. Em contraste, EAG registada no isolado antenas têm um tempo de vida de 2 horas (Figura 5).
Nossa plataforma EAG-robótico foi desenvolvido principalmente para testar hipóteses biológicas sobre estratégias de busca codificação olfativo e em insetos 13. Similar aos neurônios centrais que recebem a entrada de antenas de inseto, nós conectamos um modelo de neurônio para uma antena traça real em um robô e realizada a detecção de feromônio com base no seu padrão de disparo. Eventos de detecção e de detecção não foramentão usado para acionar o robô em direção à fonte de feromônio. A estratégia de busca reativa considerado aqui foi inspirado pelos padrões de comportamento de mariposas macho atraído por um feromônio sexual. Ele teve um bom desempenho em condições de laboratório (Figura 6), permitindo a localização de uma fonte de baixa emissão (dose de 10 mg de feromônio no nosso caso versus 10 mg em trabalho anterior 24) em um espaço relativamente grande procura (distância inicial de fontes de 2 m versus 10 cm de experiências anteriores 20-21).
Estas experiências robóticos deve ser considerado como uma prova de conceito que mostra que as antenas de insectos são adequadas para pesquisas olfactivos robóticos. Apesar de antenas de insetos são conhecidos por responder a gases tóxicos, drogas e explosivos 9-11, várias extensões são necessárias para lidar com aplicações do mundo real. Primeiro, um método mais sofisticado busca 34-36 pode ser mais eficiente a distâncias superiores a 10 m, quando a reaquisiçãoda pluma se torna muito improvável. Em segundo lugar, pode ser necessário combinar EAG de diferentes espécies numa configuração de nariz bio-electrónico 14, a fim de detectar odorantes de interesse. Em terceiro lugar, as capacidades de detecção de som obtidos através da gravação das duas antenas do mesmo inseto pode ser benéfico em termos de eficácia. Dois sensores utilizados em paralelo podem de fato aumentar a direcionalidade. Em quarto lugar, as extensões da estratégia de busca para pesquisas robóticas coletivos são 37 devem ser considerados para aplicações práticas, mesmo que não são biologicamente relevante no caso de mariposas.
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 |