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.
Robotter designet til at spore kemiske lækager i farlige industrielle anlæg 1 eller eksplosive spor i landminer felter 2 det samme problem som insekter søgning efter føde eller søger efter kammerater 3: det olfaktoriske søgning er begrænset af fysik turbulent transport 4. Koncentrationen landskab af vind bæres lugte er diskontinuert og består af sporadisk placeret patches. En forudsætning for at lugtesansen søgning er, at der registreres intermitterende lugt patches. På grund af sin høje hastighed og følsomhed 5-6, lugteorganet af insekter giver en enestående mulighed for detektion. Insekt antenner er blevet anvendt i fortiden for at detektere ikke alene kønsferomoner 7, men også kemikalier, der er relevante for mennesker, fx flygtige forbindelser stammer fra kræftceller 8 eller giftige og ulovlige stoffer 9-11. Vi beskriver her en protokol for at bruge insekt antenner på autonome robotter end præsentere et proof of concept for sporing lugt faner til deres kilde. Den globale reaktion olfaktoriske neuroner registreres in situ i form af electroantennograms (eags). Vores eksperimentelle design, baseret på en hel insekt forberedelse, giver stabile optagelser inden for en arbejdsdag. Til sammenligning EAG'er på udskårne antenner har en levetid på 2 timer. En brugerdefineret hardware / software interface blev udviklet mellem EAG elektroder og en robot. Målesystemet løser individuelle lugt patches op til 10 Hz, hvilket overstiger tidsskala af kunstige kemiske sensorer 12. Effektiviteten af EAG sensorer til olfaktoriske søgninger er yderligere demonstreret i at køre robotten mod en kilde til feromon. Ved at bruge identiske olfaktoriske stimuli og sensorer som rigtige dyr, vores robot platform giver et direkte middel til afprøvning af biologiske hypoteser om olfaktoriske kodning og søgestrategier 13. Det kan også være gavnligt for at afsløre andre lugtstoffer interesser vedkombinere EAG'er fra forskellige insektarter i en Bio Elektronisk næse-konfiguration 14 eller ved hjælp af nanostrukturerede gas sensorer, der efterligner insekt antenner 15.
I dag er dyr som hunde hyppigt anvendt i sikkerheds-og sikkerhedsprogrammer, der involverer lokalisering af kemiske lækager, narkotika og sprængstoffer på grund af deres fremragende lugt sporingskapaciteten 16. Alligevel viser de adfærdsmæssige variationer, træt efter omfattende arbejde, og kræver hyppig omskoling som deres ydeevne falder over tid 17. En måde at omgå disse begrænsninger er at erstatte trænede hunde af olfaktoriske robotter.
Ikke desto mindre, sporing dufte og lugt kilder er en stor udfordring i robotteknologi. I turbulente miljøer, landskabet af en duft Røgsøjlen er meget heterogen og ustabilt, og består af sporadisk placeret patches 4. Selv ved moderate afstande fra kilden, så korte som nogle få meter, fund bliver sporadisk og kun give signaler med mellemrum. Desuden har lokale koncentrationsgradienter løbet fund generelt ikke pege mod kilden. Given diskontinuous informationsstrøm og begrænset lokal information når opdagelser er lavet, hvordan man navigerer en robot imod kilden?
Det er velkendt, at insekter som mandlige møl bruger kemisk kommunikation til held finde deres kammerater over lange afstande (hundrede meter). At gøre det, de vedtager en stereotyp adfærd 18-20: De bølge vindretningen ved sensing en lugt patch og udføre en udvidet søgning kaldet casting når lugt information forsvinder. Denne bølge-casting strategi er rent reaktiv, er dvs handlinger helt bestemt af de aktuelle opfattelser (afsløring og ikke-afsløring hændelser). Alligevel var dens gennemførelse på olfaktoriske robotter begrænset succes i fortiden, fordi afsløring af lugt patches hæmmes af de langsommelige kunstige gas sensorer.
Metal-oxid-sensorer, der anvendes i de fleste af de olfaktoriske robotter har respons og helbredelse tider med tocifrede sekunder, så de generelt bortfiltrerekoncentrations udsving stødt på i turbulente fjer 21. I modsætning hertil responstiden for insekt chemoreceptors er meget kortere, f.eks indsvingningstiden af insekt electroantennograms (eags) er mindre end 50 msec 22. Derfor ved hjælp af insekt EAG'er er lugt impulser løses ved frekvenser på flere Hertz 23. Denne egenskab gør EAG sensorer velegnet til påvisning af lugt filamenter i naturlige faner. Vi beskriver her en protokol for indlejring insekt EAG'er om robotter giver mulighed for effektive olfaktoriske søgninger ved hjælp af bølge og støbning strategier.
Næsten tyve år siden, Kanzaki og hans kolleger banebrydende ideen om at bruge EAG'er på olfaktoriske robotter 29-30. Deres teknik blev oprindeligt baseret på udskåret antenner. Her indspillede vi fra intakt antenner for at forbedre følsomheden og levetiden af præparatet. Andre undersøgelser 31-32 bemærkede også overlegenhed hele kroppen præparater end isolerede antenner. I vores robot eksperimenter, oplevede vi stabile optagelser inden for en dag. I modsætning hertil optages EAG'er på isolerede antenner har en levetid på 2 timer (figur 5).
Vores EAG-robot platform er primært udviklet til at teste biologiske hypoteser om olfaktoriske kodning og søgestrategier i insekter 13. Svarende til centrale neuroner, der modtager input fra insekt antenner, forbundet vi et neuron model til en rigtig møl antenne på en robot og udført feromon detektion baseret på dens fyring mønster. Detection og ikke-afsløring begivenheder varderefter anvendes til at drive robotten imod kilden feromon. Den reaktive søgestrategi betragtes her var inspireret af de adfærdsmæssige mønstre af mandlige møl tiltrukket af en kønsferomon. Det klarede sig godt under laboratoriebetingelser (fig. 6), der tillader lokalisering af en lav emissionskilde (feromon dosis på 10 ug i vores tilfælde versus 10 mg i tidligere arbejde 24) i en forholdsvis stor søgning plads (oprindelig afstand fra kilden 2 m versus 10 cm i tidligere forsøg 20-21).
Disse robot eksperimenter bør betragtes som et proof of concept viser, at insekt antenner er egnet til robot olfaktoriske søgninger. Selvom vides insekt antenner til at reagere på giftige gasser, narkotika og sprængstoffer 9-11, er der behov for flere udvidelser til at håndtere virkelige verden applikationer. For det første kan en mere sofistikeret søgemetode 34-36 være mere effektive på afstande over 10 m, når generhvervelsefanens bliver meget usandsynlig. For det andet kan det være nødvendigt at kombinere EAG'er fra forskellige arter i en bio-elektronisk næse-konfiguration 14 for at opdage lugtstoffer interesser. For det tredje kan stereo sensing kapaciteter opnået ved optagelse fra de to antenner af samme insekt vise sig gavnlig med hensyn til effektivitet. To sensorer ansat i parallel kan faktisk øge retningsbestemmelse. For det fjerde, udvidelser af søgestrategi til kollektive robot søgninger 37 er burde være i betragtning til praktiske anvendelser, selv om de ikke er biologisk relevant i tilfælde af møl.
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 |