Koku Aramalar için Otonom Robotlar Böcek elektroantenogram Sensörleri kullanarak
概要
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.
Abstract
Böcekler yiyecek aramakla veya arkadaşları 3 için arama gibi mayın alanları 2 yüz aynı sorun tehlikeli sanayi tesislerinin 1 veya patlayıcı izleri kimyasal sızıntıları izlemek için tasarlanmış robotlar: koku arama çalkantılı ulaşım 4 fiziği ile sınırlıdır. Rüzgar kaynaklı kokuların konsantrasyonu manzara süreksizdir ve düzensiz yerleşmiş yamalar oluşur. Koku arandığı bir ön koşul aralıklı koku yamalar tespit olmasıdır. Çünkü onun yüksek hız ve hassasiyet 5-6, böceklerin koku alma organı tespiti için eşsiz bir fırsat sunuyor. Böcek antenler örneğin insanlarda alakalı seks feromon 7 değil, aynı zamanda kimyasal madde, kanser hücreleri 8 veya toksik ve kaçak maddeler 9-11 çıkan uçucu bileşikler, sadece tespit etmek için geçmişte kullanılmıştır. Biz özerk robotlar üzerinde böcek antenleri kullanarak burada bir protokol açıklar birkendi kaynağına koku tüyleri izleme konseptinin bir kanıtı sunmak d. Koku nöronların global yanıt electroantennograms (EAGs) şeklinde yerinde kaydedilir. Bir bütün böcek hazırlık dayalı deneysel tasarım, bir iş günü içinde istikrarlı kayıtlar sağlar. Buna karşılık, kesilmiş anten üzerinde EAGs 2 saatlik bir kullanım ömrüne sahiptir. Özel bir donanım / yazılım arayüzü EAG elektrot ve bir robot arasında geliştirilmiştir. Ölçüm sistemi yapay kimyasal sensörler 12 zaman ölçeğini aşıyor 10 Hz, bireysel koku yamalar giderir. Koku aramalar için EAG sensör feromon verimi, bir kaynak robotu doğru sürüş gösterilmiştir. Gerçek hayvanlarda olduğu gibi aynı koku uyaranlara ve sensörler kullanılarak, bizim robot platformu koku kodlama ve arama stratejileri, yaklaşık 13 biyolojik hipotezleri test etmek için doğrudan araç sağlar. Ayrıca tarafından çıkarlarını diğer koku tespit için yararlı olabilirBir Biyoelektronik burun yapılandırmada 14 farklı böcek türlerinin EAGs birleştirerek veya böcek antenleri 15 taklit nano yapılı gaz sensörleri kullanarak.
Introduction
Günümüzde, köpek gibi hayvanlar sık sık, çünkü onların mükemmel koku algılama yetenekleri 16 kimyasal sızıntı, uyuşturucu ve patlayıcı madde lokalizasyonu dahil emniyet ve güvenlik uygulamalarında kullanılmaktadır. Oysa, onlar, davranışsal farklılıklar göstermektedir yoğun işten sonra yorgun ve bunların performansı zaman 17 azalır gibi sık sık yeniden eğitim gerektirir. Bu sınırlamaları aşmak için bir yolu koku robotlar tarafından eğitilmiş köpekler değiştirmektir.
Bununla birlikte, kokular ve koku kaynakları izleme robotik önemli bir sorundur. Çalkantılı ortamlarda, bir koku bulutunun manzara çok heterojen ve kararsız ve düzensiz yerleşmiş yamalar 4. oluşur. Hatta birkaç metre gibi kısa kaynaktan orta mesafelerde, tespitler sporadik olmak ve sadece aralıklı ipuçları sağlar. Ayrıca, tespitleri sırasında lokal konsantrasyonu eğimleri genellikle kaynağına doğru işaret etmemektedir. Verilen diskbilgi ve sınırlı yerel bilgi ontinuous akışı zaman algılamaları kaynağına doğru bir robot gezinmek için nasıl yapılır?
Biliyorsunuz bu tür erkek kelebekler gibi böcekler başarıyla uzun mesafelere (yüzlerce metre) üzerinden eşlerini bulmak için kimyasal iletişimi kullandıkları bilinmektedir. Bunu yapmak için, bir basmakalıp davranış 18-20 benimsemek: Onlar bir koku yama duyulması üzerine dumandan dalgalanma ve koku bilgi kaybolur zaman döküm denilen uzun bir arama yapmak. Bu dalgalanma döküm stratejisi tamamen reaktif, yani eylemler tamamen cari algıları (algılama ve non-algılama olayları) tarafından belirlenir. Koku yamalar algılama yapay gaz sensörleri yavaşlık tarafından engellenmektedir, çünkü henüz, koku robotlar üzerinde uygulanması geçmişte başarı olamadı.
Genellikle filtre böylece koku robotlar çoğunda kullanılan metal oksit sensörleri saniye onlarca müdahale ve kurtarma süreleri varÇalkantılı tüyleri 21 karşılaşılan konsantrasyon dalgalanmaları. Buna karşılık, böcek kemoreseptörlerinin tepki süresi, örneğin, böcek electroantennograms (EAGs) ve yükselme zamanı az 50 msn 22 olduğunu, çok daha kısadır. Sonuç olarak, böcek EAGs kullanarak, koku bakliyat birkaç Hertz 23 frekanslarda çözümlenir. Bu özellik doğal tüyleri koku filamentlerin saptanması için EAG sensörler de uygun hale getirir. Biz burada dalgalanması kullanarak verimli koku aramalar için izin robotlar üzerinde böcek EAGs gömme ve stratejilerini döküm için bir protokol açıklar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Neredeyse yirmi yıl önce, Kanzaki ve arkadaşları koku robotlar 29-30 EAGs kullanma fikrine öncülük. Onların tekniği aslında eksize antenleri dayanmaktadır. Burada, preparasyon hassasiyetini ve ömrünü artırmak için sağlam antenlerden kaydedildi. Diğer çalışmalar da 31-32 izole antenleri üzerinde tüm vücut hazırlıkları üstünlüğünü fark ettim. Bizim robot deneylerde, biz bir gün içinde istikrarlı kayıtları yaşadı. Bunun aksine, EAGs 2 saatlik bir kullanım süresi (Şekil 5) sahip izole edilmiş anten üzerine kaydedilir.
Bizim EAG-robot platformu öncelikle böceklerin 13 koku kodlama ve arama stratejileri hakkında biyolojik hipotezleri test etmek için geliştirilmiştir. Böcek antenleri girdi almak merkezi nöronlara benzer, biz bir robot gerçek bir güve antene bir nöron modeli bağlı ve ateşleme desen dayalı feromon tespiti yapıldı. Algılama ve non-algılama olaylardıDaha sonra feromonun kaynağına doğru robotu tahrik etmek için kullanılabilir. Burada düşünülen reaktif arama stratejisi bir seks feromon çekti erkek kelebeklerin davranış kalıpları esinlenilmiştir. Bu, 2 m bir kaynaktan düşük bir emisyon kaynağı nispeten büyük bir ara alanı (başlangıç mesafesi de (önceki çalışmaları 24, 10 mg karşılık eden durumda 10 ug feromon doz) lokalizasyonu sağlayan, laboratuar koşullarında (Şekil 6) iyi performans önceki deneylerde 20-21) 10 cm'den karşı.
Bu robot deneyler böcek antenleri robotik koku aramalar için uygun olduğunu gösteren bir kavram bir kanıtı olarak kabul edilmelidir. Böcek antenleri zehirli gazlar, uyuşturucu ve patlayıcı 9-11 yanıt bilinmesine rağmen, çeşitli uzantıları gerçek dünya uygulamaları ile başa çıkmak için ihtiyaç vardır. İlk olarak, daha sofistike bir arama yöntemi 34-36, 10 metre ötesindeki uzaklıklarda yeniden kazanılması zaman daha verimli olabilirbulutun çok olası hale gelir. İkinci olarak, ilgi koku tespit etmek için bir biyo-elektronik burun konfigürasyonda 14 farklı türlerden EAGs birleştirmek için gerekli olabilir. Üçüncü olarak, aynı böceğin iki antenlerden kaydedilerek elde stereo algılama yetenekleri etkinliği açısından yararlı olabilir. Paralel çalışan iki sensör gerçekten yönünü artabilir. Dördüncü olarak, toplu robotik aramalarda 37 arama stratejisinin uzantıları onlar kelebeklerin durumunda biyolojik ilgili olmasa bile pratik uygulamalar için dikkat edilmesi gerektiğini vardır.
開示
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was funded by the state program Investissements d’avenir managed by ANR (grant ANR-10-BINF-05 ‘Pherotaxis’).
Materials
| 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 |
参考文献
- Russel, R. A. World Scientific Series in Robotics and Intelligent Systems. Odour detection by mobile robots. , 232 (1999).
- Woodfin, R. L. . Trace chemical sensing of explosives. , 496 (2006).
- Wyatt, T. D. . Pheromones and animal behavior. , (2013).
- Weissburg, M. The fluid dynamical context of chemosensory behavior). Biol. Bull. 198, 188-202 (2000).
- Angioy, A. M., Desogus, A., Barbarossa, I. T., Anderson, P., Hansson, B. S. Extreme Sensitivity in an Olfactory System. Chem. Senses. 28 (4), 279-284 (2003).
- Kaissling, K. -. E., Gutiérrez, , Marco, The Sensitivity of the insect nose: the example of Bombyx mori. Biologically inspired signal processing. , 45-52 (2009).
- Sauer, A. E., Karg, G., Koch, U. T., Dekramer, J. J., Milli, R. A portable EAG system for the measurement of pheromone concentration in the field. Chem. Senses. 17 (5), 543-553 (1992).
- Strauch, M., et al. More than apples and oranges – Detecting cancer with a fruit fly’s antenna. Scientific reports. 4 (3576), 1-9 (2014).
- Marshall, B., Warr, C. G., de Bruyne, M. Detection of Volatile Indicators of Illicit Substances by the Olfactory Receptors of Drosophila melanogaster. Chem. Senses. 35 (7), 613-625 (2010).
- Rains, G. C., Tomberlin, J. K., Kulasiri, D. Using insect sniffing devices for detection. Trends Biotechnol. 26 (6), 288-294 (2008).
- King, T. L., Horine, F. M., Daly, K. C., Smith, B. H. Explosives detection with hard-wired moths. IEEE Trans. Instrumentation and Measurement. 53 (4), 1113-1118 (2004).
- Gardner, J., Bartlett, P. . Electronic noses. , (1999).
- Martinez, D., et al. Multiphasic On/Off pheromone signaling in moths as neural correlates of a search strategy. PLoS ONE. 8 (4), (2013).
- Park, K. C., Ochieng, S. A., Zhu, J., Baker, T. C. Odour discrimination using insect electroantennogram responses from an insect antennal array. Chem. Senses. 27, 343-352 (2002).
- Spitzer, D., et al. Bio-Inspired Nanostructured Sensor for the Detection of Ultralow Concentrations of Explosives. Angewandte Chemie. 51 (22), 5334-5338 (2012).
- Furton, K. G., Myers, L. J. The scientific foundation and efficacy of the use of canines as chemical detectors for explosives. Talanta. 54, 487-500 (2001).
- Williams, M., Johnston, J. M. Training and maintaining the performance of dogs (Canis familiaris) on an increasing number of odor discriminations in a controlled setting. Applied Animal Behaviour Science. 78, 55-65 (2002).
- Murlis, J., Elkinton, J. S., Cardé, R. T. Odour plumes and how insects use them. Annu. Rev. Entomol. 37, 505-532 (1992).
- Kaissling, K. E., Lehler, M. Pheromone-controlled anemotaxis in moths. Orientation and communication in Arthropods. , 343-374 (1997).
- Vickers, N. J. Mechanisms of animal navigation in odor plumes. Biol. Bull. 198, 203-212 (2000).
- Martinez, D., Rochel, O., Hugues, E. A biomimetic robot for tracking specific odors in turbulent plumes. Autonomous Robot, Special Issue on Mobile Robot Olfaction. 20, 185-195 (2006).
- Szyszka, P., Stierle, J. S., Biergans, S., Galizia, C. G. The Speed of Smell: Odor-Object Segregation within Milliseconds. PLoS ONE. 7, (2012).
- Bau, J., Justus, K. A., Loudon, C., Cardé, R. T. Electroantennographic resolution of pulsed pheromone plumes in two species of moths with bipectinate antennae. Chem Senses. 30, 771-780 (2005).
- Barrozo, R. B., Gadenne, C., Anton, S. Switching attraction to inhibition: mating-induced reversed role of sex pheromone in an insect. J. Exp. Biol. 213, 2933-2939 (2010).
- Land, B. R., Wyttenbach, R. A., Johnson, B. R. Tools for physiology labs: an inexpensive high-performance amplifier and electrode for extracellular recording. J. Neuroscience Methods. 106, 47-55 (2001).
- Ortiz, L. A mobile electrophysiology board for autonomous robotics. Master thesis. , (2006).
- Justus, K. A., Cardé, R. T., French, A. S. Dynamic Properties of Antennal Responses to Pheromone in Two Moth Species. J. Neurophysiol. 93, 2233-2239 (2005).
- Martinez, D., Moraud, E. M., Persaud, K. .. C., Marco, S., Gutierrez-Galvez, A. Reactive and cognitive search strategies for olfactory robots. Neuromorphic Olfaction, Frontiers in Neuroengineering Series. , (2013).
- Kuwana, Y., Shimoyama, I., Miura, H. Steering control of a mobile robot using insect antennae. Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. , (1995).
- Kuwana, Y., Nagasawa, S., Shimoyama, I., Kanzaki, R. Synthesis of the pheromone-oriented behaviour of silkworm moths by a mobile robot with moth antennae as pheromone sensors. Biosensors and Bioelectronics. 14, 195-202 (1999).
- Myrick, A. J., Park, K. C., Hetling, J. R., Baker, T. C. Detection and discrimination of mixed odor strands in overlapping plumes using an insect-antenna-based chemosensor system. J. Chem. Ecol. 35, 118-130 (2009).
- Myrick, A. J., Park, K. C., Hetling, J. R., Baker, T. C. Real-time odor discrimination using a bioelectronic sensor array based on the insect electroantennogram. Bioinspiration and Biomimetics. 3, (2008).
- Vickers, N. J., Christensen, T. A., Baker, T. C., Hildebrand, J. G. Odour-plume dynamics influence the brain’s olfactory code. Nature. 410, 466-470 (2001).
- Vergassola, M., Villermaux, E., Shraiman, B. I. ‘Infotaxis’ as a strategy for searching without gradients. Nature. 445, 406-409 (2007).
- Martin-Moraud, E., Martinez, D. Effectiveness and robustness of robot infotaxis for searching in dilute conditions. Frontiers in neurorobotics. , (2010).
- Masson, J. -. B. Olfactory searches with limited space perception). PNAS. 110, 11261-11266 (2013).
- Masson, J. -. B., Bailly Bechet, M., Vergassola, M. Chasing information to search in random environments. J. Phys. A: Math. Theor. 42, (2009).
