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.
Роботы, разработанные для отслеживания химических утечек в опасных производственных объектов 1 или взрывоопасных следов от мин полей 2, сталкиваются с проблемой, как насекомые поисках пищи или поиск товарищей 3: обонятельная поиск сдерживается физике турбулентного переноса 4. Концентрация пейзаж ветровых иметь запахов разрывно и состоит из спорадически расположенных пятен. Предпосылкой к обонятельной поиска является то, что прерывистый запах патчи обнаружено. Из-за своей высокой скорости и чувствительности 5-6, орган обоняния насекомых предоставляет уникальную возможность для обнаружения. Насекомое антенны были использованы в прошлом для выявления не только половые феромоны 7, но и химические вещества, которые имеют отношение к людям, например, летучие соединения, исходящие от раковых клеток 8 или токсичных и запрещенных веществ 9-11. Мы описываем здесь протокол для использования антенны насекомых на автономных роботовг представить доказательство концепции для отслеживания запах перья к их источнику. Глобальный ответ обонятельных нейронов записывается на месте в виде electroantennograms (ЕАГО). Наша опытно-конструкторских, на основе всего препарата насекомых, позволяет стабильные записи в течение рабочего дня. Для сравнения, ЕАГО на вырезанных антенн имеют срок службы 2 часов. Интерфейс пользовательские аппаратного / программного обеспечения была разработана между электродами ЕАГ и роботом. Измерительная система решает индивидуальные запах патчи до 10 Гц, что превышает временную шкалу искусственных химических датчиков 12. Эффективность ЕАГ датчиков для обонятельных поисках далее демонстрируется в продвижении робота в сторону источника феромона. Используя одинаковые обонятельные стимулы и датчики, как и в реальных животных, наша робота платформа обеспечивает прямое средство для тестирования биологических гипотез о обонятельной кодирования и стратегии поиска 13. Он также может оказаться полезным для обнаружения других отдушки интересов пообъединения ЕАГО из разных видов насекомых в биоэлектронного конфигурации носа 14 или с помощью наноструктурированных газовых сенсоров, которые имитируют насекомых антенны 15.
В настоящее время, животные, как собаки часто используются в приложениях безопасности и безопасности, которые вызывают локализацию химических утечек, наркотических и взрывчатых веществ, потому что их превосходными возможностями обнаружения запаха 16. Тем не менее, они показывают поведенческие изменения, устают после большой работы, и требуют частого переподготовку как их производительность уменьшается с течением времени 17. Один из способов обойти эти ограничения, чтобы заменить обученных собак обонятельными роботов.
Тем не менее, отслеживание запахи и источники запаха является основной проблемой в области робототехники. В неспокойные средах, ландшафт запах шлейфа очень неоднородна и в неустойчивом положении, и состоит из спорадически расположенных пятен 4. Даже при умеренных расстояниях от источника, а короткий, как в нескольких метрах, обнаружений стать спорадическими и только обеспечивают сигналы периодически. Кроме того, локальные градиенты концентрации во время обнаружения как правило, не указывают на источник. Учитывая дискontinuous поток информации и ограниченного местной информации, когда обнаружений сделаны, как провести робота к источнику?
Известно, что насекомые, такие как мужчин моли использовать химическую связь, чтобы успешно найти своих товарищей на большие расстояния (сотни метров). Чтобы сделать это, они принимают стереотип поведения 18-20: они перенапряжений против ветра на почувствовав запах патч и выполнять расширенного поиска под названием кастинг, когда информация запах исчезает. Эта стратегия всплеск литья является чисто реактивным, т.е. действия, полностью определяются бытующим (обнаружения и не обнаружения событий). Тем не менее, его реализация на обонятельных роботов имели ограниченный успех в прошлом, поскольку обнаружение запаха патчей затрудняется медлительности датчиков искусственных газов.
Датчики Металл-оксидные, используемые в большинстве обонятельных роботов имеют реагирования и восстановления в несколько десятков секунд, так что они, как правило отфильтроватьколебания концентрации, встречающиеся в турбулентных шлейфов 21. В противоположность этому, время отклика хеморецепторы насекомых намного короче, например, время нарастания electroantennograms насекомых (ЕАГО) меньше, чем 50 мсек 22. Следовательно, с помощью ЕАГО насекомых, импульсы запаха решаются на частотах в несколько Герц 23. Это свойство делает датчики ЕАГ хорошо подходит для обнаружения запахов нитей в природных плюмов. Мы описываем здесь протокол для встраивания ЕАГО насекомых на роботов, позволяющих эффективных обонятельных поиска с использованием всплеск и литья стратегии.
Почти двадцать лет назад, Канзаки и его коллеги впервые идея использования ЕАГО на обонятельных роботов 29-30. Их техника была первоначально основана на вырезанной антенн. Здесь мы записан с интактной антенн, чтобы улучшить чувствительность и срок службы препарата. Другие исследования 31-32 также заметил превосходство препаратов всего тела более изолированной антенн. В наших роботов экспериментов, мы испытали стабильные записи в течение дня. В противоположность этому, ЕАГО записаны на изолированных антенн имеют срок службы 2 часов (рис. 5).
Наша ЕАГ-робота платформа была разработана в основном для тестирования биологических гипотез о обонятельной кодирования и стратегий поиска в насекомых 13. Подобно центральных нейронов, получающих вход от антенн насекомых, мы подключили модель нейрона к реальному моли антенны на робота и осуществляется обнаружение феромонов на основе его схеме срабатывания. События обнаружения и не обнаружения былизатем используется для привода робота к источнику феромона. Стратегия поиска реактивной считается здесь был вдохновлен поведения среди мужчин моли привлеченных на полового феромона. Это хорошо зарекомендовал себя в лабораторных условиях (рис. 6), что позволяет локализацию источника нискоэмисионном (феромон доза 10 мкг в нашем случае по сравнению с 10 мг в предыдущей работе 24) в относительно большом пространстве поиска (начальная расстояние от источника до 2 м. по сравнению с 10 см в предыдущих экспериментах 20-21).
Эти роботы эксперименты следует рассматривать как доказательство концепции, показывающие, что усики насекомых подходят для роботизированных обонятельных поисков. Хотя усики насекомых известны реагировать на токсичных газов, наркотических и взрывчатых веществ 9-11, несколько расширений, необходимых для борьбы с реальных приложений. Во-первых, более сложный метод поиска 34-36 может быть более эффективным при расстояниях за 10 м, когда повторный захватиз шлейф становится очень маловероятным. Во-вторых, это может быть необходимо совместить ЕАГО из различных видов в био-электронные конфигурации носа 14 с целью обнаружения отдушки интересов. В-третьих, возможности стерео зондирования, полученные записи с двух антенн одного и того же насекомого может оказаться полезным с точки зрения эффективности. Два датчика, используемые в параллельном действительно может увеличить направленности. В-четвертых, расширения стратегии поиска в коллективных роботов поисках 37 являются должны быть рассмотрены для практического применения, даже если они не являются биологически значимым в случае моли.
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 |