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.
Roboter designet for å spore kjemiske lekkasjer i farlige industrianlegg en eller eksplosive spor i landmine felt à møte det samme problemet som insekter foraging for mat eller lete etter kameratene 3: lukte søket er begrenset av fysikken i turbulent transport fire. Konsentrasjonen landskapet av vindbåren lukt er usammenhengende og består av sporadisk plassert patcher. En forutsetning for å lukte søk er at intermitterende lukt patcher er oppdaget. På grunn av sin høye hastighet og følsomhet 5-6, lukteorgan insekter gir en unik mulighet for deteksjon. Insekt antenner har blitt brukt i det siste til å oppdage ikke bare sex feromoner 7, men også kjemikalier som er relevant for mennesker, for eksempel, flyktige forbindelser som kommer fra kreftceller 8 eller giftige og illegale stoffer 9-11. Vi beskriver her en protokoll for bruk av insekt antenner på autonome roboter end presentere et bevis på konseptet for sporing av lukt fjær til sin kilde. Den globale responsen av olfactory nerveceller er spilt in situ i form av electroantennograms (eags). Vår eksperimentell design, basert på en hel insekt forberedelse, tillater stabile opptak innen en arbeidsdag. Til sammenligning eags på skåret antennene har en levetid på to timer. En tilpasset hardware / software grensesnitt ble utviklet mellom EAG elektroder og en robot. Det målesystem løser individuelle lukt plastre opp til 10 Hz, som overskrider tidsskala på kunstige kjemiske sensorer 12. Effektiviteten av EAG sensorer for lukt søkene er ytterligere demonstrert i å drive roboten mot en kilde for feromon. Ved å bruke identiske olfactory stimuli og sensorer som i ekte dyr, gir vår robot-plattformen en direkte måte for å teste biologiske hypoteser om lukte koding og søkestrategier 13. Det kan også være gunstig for å oppdage andre luktstoffer av interesser vedkombinere eags fra forskjellige insektarter i en Bioelectronic nese konfigurasjon 14 eller ved hjelp av nanostrukturerte gass-sensorer som etterligner insekt antenner 15.
I dag er dyr som hunder ofte brukt i sikkerhets-og sikkerhetsprogrammer som innebærer lokalisering av kjemiske lekkasjer, narkotika og eksplosiver på grunn av sine gode lukten deteksjon 16. Likevel viser de atferdsmessige variasjoner, blir lei etter et omfattende arbeid, og krever hyppig omskolering som deres prestasjoner avtar over tid 17. En måte å omgå disse begrensningene er å erstatte trente hunder av olfactory roboter.
Likevel, sporing luktene og luktkilder er en stor utfordring i robotikk. I turbulente omgivelser, er landskapet av en lukt skyen svært heterogen og ustø, og består av sporadisk plassert patcher fire. Selv på moderate avstander fra kilden, så kort som noen meter, påvisninger blir sporadisk og bare gi pekepinner midlertidig. Videre gjør lokale konsentrasjonsgradient under deteksjoner generelt ikke peker mot kilden. Gitt plateontinuerlig flyt av informasjon og begrenset lokal informasjon når påvisninger er gjort hvordan du navigerer en robot mot kilden?
Det er velkjent at insekter som mannlige møll bruke kjemisk kommunikasjon for å kunne lokalisere sine kamerater over lange avstander (hundrevis av meter). For å gjøre dette, de vedta en stereotyp atferd 18-20: de surge motvind på sensing en lukt patch og utføre et utvidet søk kalt casting når lukt informasjon forsvinner. Denne bølge-avstøpning strategi er rent reaktiv, dvs. handlinger helt bestemt av dagens oppfatninger (gjenkjenning og ikke-gjenkjenning events). Likevel, dens implementering på olfactory roboter hadde begrenset suksess i det siste fordi påvisning av lukt patcher er hemmet av treghet av kunstige gass-sensorer.
Metal-oksid sensorer som brukes i de fleste av olfactory roboter har respons og utvinning tider på flere titalls sekunder slik at de generelt filtrere utkonsentrasjonssvingninger som oppstår i turbulente fjær 21. I kontrast, er responstiden til insekts chemoreceptors mye kortere, for eksempel, er mindre enn 50 msek 22 stigningstiden for insekt electroantennograms (eags). Følgelig, ved å bruke insekt eags, er lukt pulser løst ved frekvenser på flere Hertz 23.. Denne egenskapen gjør EAG sensorer godt egnet for påvisning av luktfilamenter i naturlige fjær. Vi beskriver her en protokoll for innebygging insekt eags på roboter som åpner for effektiv lukte søk ved hjelp av surge og støping strategier.
Nesten tjue år siden, Kanzaki og hans kolleger ute med ideen om å bruke eags på olfactory roboter 29-30. Deres teknikken ble opprinnelig basert på utskårede antenner. Her har vi registrert fra intakt antenner for å forbedre følsomheten og levetiden til blandingen. Andre studier 31-32 også lagt merke til den overlegenhet av hele kroppen forberedelser enn isolert antenner. I våre robot eksperimenter, opplevde vi stabile opptak innen en dag. I motsetning til dette eags innspilt på isolerte antenner har en levetid på 2 timer (figur 5).
Vår EAG-robot-plattformen ble først og fremst utviklet for å teste biologiske hypoteser om lukte koding og søkestrategier i insekter 13. I likhet med sentrale nevroner som mottar innspill fra insekt antenner, vi koblet et nevron modell til en ekte møll antenne på en robot og utført feromon deteksjon basert på sin skyting mønster. Gjenkjenning og ikke-gjenkjenning hendelsene varså brukt til å drive roboten mot kilden feromon. Den reaktive søkestrategi vurderes her var inspirert av atferdsmønstre mannlige møll tiltrekkes av en sex feromon. Den utføres også i et laboratorium (figur 6), slik at lokaliseringen av en lav emisjonskilde (feromon dose på 10 ug i vårt tilfelle sammenlignet med 10 mg i tidligere arbeider 24) i en forholdsvis stor søkerommet (initial avstanden fra kilden til to m versus 10 cm i tidligere forsøk 20-21).
Disse robot eksperimenter bør betraktes som et bevis på konseptet viser at insekt Antennene er egnet for robot olfactory søk. Selv om insekt antenner er kjent for å svare på giftige gasser, narkotika og eksplosiver 9-11, er flere utvidelser som trengs for å takle reelle søknader. For det første kan en mer sofistikert søkemetode 34-36 være mer effektiv på avstander over 10 m, når reacquisitionav skyen blir svært usannsynlig. For det andre, kan det være nødvendig å kombinere eags fra forskjellige arter i en bio-elektronisk nese konfigurasjon 14 for å detektere odorants steder. For det tredje kan stereo sensing evner innhentet av opptak fra de to antennene av samme insekt være gunstig i forhold til effektivitet. To sensorer ansatt i parallell kan faktisk øke retningen. Fjerde, utvidelser av søkestrategi til kollektive robot søk 37 er bør vurderes for praktisk bruk, selv om de ikke er biologisk relevant i tilfelle av møll.
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 |