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.
कीड़ों के भोजन के लिए foraging या साथी 3 के लिए खोज के रूप में बारूदी सुरंग क्षेत्रों 2 चेहरा एक ही समस्या में खतरनाक औद्योगिक सुविधाओं 1 या विस्फोटक निशान में रासायनिक लीक ट्रैक करने के लिए बनाया गया रोबोट: घ्राण खोज अशांत परिवहन 4 के भौतिकी से विवश है. हवा वहन odors की एकाग्रता परिदृश्य टूटनेवाला है और कई मायनों स्थित पैच के होते हैं. घ्राण खोज के लिए एक पूर्व अपेक्षित रुक – रुक कर गंध पैच पता चला रहे हैं. क्योंकि इसकी उच्च गति और संवेदनशीलता 5-6 से, कीड़ों की घ्राण अंग का पता लगाने के लिए एक अनूठा अवसर प्रदान करता है. कीट एंटीना जैसे मनुष्य के लिए प्रासंगिक हैं कि सेक्स pheromones 7, लेकिन यह भी रसायन, कैंसर की कोशिकाओं को 8 या विषाक्त और अवैध पदार्थों 9-11 से चलाई अस्थिर यौगिकों न केवल पता लगाने के लिए अतीत में इस्तेमाल किया गया है. हम स्वायत्त रोबोटों पर कीट एंटीना उपयोग करने के लिए यहाँ एक प्रोटोकॉल का वर्णन एकउनके स्रोत के लिए गंध plumes पर नज़र रखने के लिए अवधारणा का एक सबूत पेश घ. घ्राण न्यूरॉन्स की वैश्विक प्रतिक्रिया electroantennograms (EAGs) के रूप में सीटू में दर्ज की गई है. एक पूरी कीट तैयारी के आधार पर हमारे प्रयोगात्मक डिजाइन, एक काम कर दिन के भीतर स्थिर रिकॉर्डिंग की अनुमति देता है. इसकी तुलना में, excised एंटीना पर EAGs 2 घंटा का एक जीवन भर है. एक कस्टम हार्डवेयर / सॉफ्टवेयर इंटरफ़ेस ईएजी इलेक्ट्रोड और एक रोबोट के बीच विकसित किया गया था. माप प्रणाली कृत्रिम रासायनिक सेंसर 12 के समय के पैमाने से अधिक है जो 10 हर्ट्ज, के लिए व्यक्तिगत गंध पैच अप निराकरण करता है. घ्राण खोजों के लिए ईएजी सेंसर की दक्षता आगे फेरोमोन का एक स्रोत की ओर रोबोट ड्राइविंग में प्रदर्शन किया है. असली जानवरों के रूप में समान घ्राण उत्तेजनाओं और सेंसर का उपयोग करके, हमारे रोबोट मंच घ्राण कोडिंग और खोज रणनीतियों 13 के बारे में जैविक परिकल्पना के परीक्षण के लिए एक सीधा साधन प्रदान करता है. यह भी द्वारा हितों की अन्य odorants का पता लगाने के लिए फायदेमंद साबित हो सकता हैएक bioelectronic नाक विन्यास 14 में विभिन्न कीट प्रजातियों से EAGs संयोजन या कीट एंटीना 15 कि नकल nanostructured गैस सेंसर का उपयोग.
आजकल, कुत्तों की तरह पशुओं अक्सर क्योंकि उनके उत्कृष्ट गंध का पता लगाने क्षमताओं 16 की रासायनिक लीक, दवाओं और विस्फोटकों का स्थानीयकरण शामिल है कि सुरक्षा और सुरक्षा अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है. फिर भी, वे, व्यवहार विविधताओं दिखा व्यापक काम के बाद थक जाते हैं, और उनके प्रदर्शन के समय 17 से अधिक घटने के रूप में अक्सर फिर से शिक्षित करना आवश्यक है. इन सीमाओं को नाकाम करने के लिए एक तरह से घ्राण रोबोटों द्वारा प्रशिक्षित कुत्तों की जगह है.
बहरहाल, scents और गंध सूत्रों ट्रैकिंग रोबोटिक्स में एक बड़ी चुनौती है. अशांत वातावरण में, एक गंध पंख का परिदृश्य बहुत विषम और अस्थिर है, और कई मायनों स्थित पैच 4 के होते हैं. यहां तक कि कुछ ही मीटर जितनी कम स्रोत से मध्यम दूरी पर, detections छिटपुट हो जाते हैं और केवल रहकर cues प्रदान करते हैं. इसके अलावा, detections दौरान स्थानीय एकाग्रता ढ़ाल आम तौर पर स्रोत की ओर इंगित नहीं करते. यह देखते हुए डिस्कसूचना और सीमित स्थानीय जानकारी के ontinuous प्रवाह जब detections स्रोत की ओर एक रोबोट नेविगेट करने के लिए कैसे बना रहे हैं?
यह अच्छी तरह से इस तरह के पुरुष पतिंगे जैसे कीड़ों को सफलतापूर्वक लंबी दूरी (मीटर के सैकड़ों) पर उनके साथियों का पता लगाने के लिए रासायनिक संचार का उपयोग किया जाता है. ऐसा करने के लिए, वे एक टकसाली व्यवहार 18-20 अपनाने: वे एक गंध पैच संवेदन पर हवा आने की वृद्धि और गंध जानकारी गायब हो जाती है जब कास्टिंग बुलाया एक विस्तारित खोज करते हैं. इस वृद्धि के कास्टिंग रणनीति विशुद्ध रूप से प्रतिक्रियाशील है, यानी कार्रवाई पूरी तरह से मौजूदा धारणाओं (पता लगाने और गैर का पता लगाने की घटनाओं) से निर्धारित होते हैं. गंध पैच का पता लगाने के कृत्रिम गैस सेंसर की सुस्ती से प्रभावित होता है क्योंकि अभी तक, घ्राण रोबोट पर इसके कार्यान्वयन अतीत में सफलता सीमित था.
वे आम तौर पर बाहर फिल्टर इतना है कि घ्राण रोबोटों के अधिकांश में इस्तेमाल किया धातु ऑक्साइड सेंसर सेकंड के कई दसियों की प्रतिक्रिया और वसूली समय हैअशांत plumes 21 में आई एकाग्रता उतार चढ़ाव. इसके विपरीत, कीट chemoreceptors की प्रतिक्रिया समय जैसे, कीट electroantennograms (EAGs) की वृद्धि के समय कम से कम 50 मिसे 22 है, बहुत कम है. नतीजतन, कीट EAGs का उपयोग करके, गंध दालों कई हर्ट्ज 23 की आवृत्तियों पर हल कर रहे हैं. यह गुण प्राकृतिक plumes में गंध filaments का पता लगाने के लिए ईएजी सेंसर अच्छी तरह से अनुकूल बनाता है. हम यहां उछाल का उपयोग कुशल घ्राण खोजों की अनुमति के लिए रोबोट पर कीट EAGs embedding और रणनीतियों ढलाई के लिए एक प्रोटोकॉल का वर्णन.
लगभग बीस साल पहले, Kanzaki और उनके सहयोगियों घ्राण रोबोट 29-30 पर EAGs उपयोग करने के विचार का बीड़ा उठाया है. उनकी तकनीक मूल रूप से excised एंटीना पर आधारित था. यहाँ, हम तैयारी की संवेदनशीलता और जीवनकाल में सुधार के लिए बरकरार एंटीना से दर्ज की गई. अन्य अध्ययनों से 31-32 भी अलग एंटीना के ऊपर पूरे शरीर की तैयारी की श्रेष्ठता देखा. हमारे रोबोट प्रयोगों में, हम एक दिन के भीतर स्थिर रिकॉर्डिंग का अनुभव किया. इसके विपरीत, EAGs 2 घंटा की एक जीवनकाल (चित्रा 5) है अलग एंटीना पर दर्ज की गई.
हमारे ईएजी रोबोट मंच मुख्य रूप से कीड़े 13 में घ्राण कोडिंग और खोज रणनीतियों के बारे में जैविक परिकल्पना का परीक्षण करने के लिए विकसित किया गया था. कीट एंटीना से निवेश प्राप्त केंद्रीय न्यूरॉन्स की तरह, हम एक रोबोट पर एक असली कीट एंटीना को एक न्यूरॉन मॉडल जुड़ा हुआ है और इसके फायरिंग पैटर्न पर आधारित फेरोमोन का पता लगाने का प्रदर्शन किया. पता लगाने और गैर का पता लगाने की घटनाओं थेफिर फेरोमोन के स्रोत की ओर रोबोट ड्राइव करने के लिए इस्तेमाल किया. यहां माना प्रतिक्रियाशील खोज रणनीति एक सेक्स फेरोमोन से आकर्षित पुरुष पतिंगे के व्यवहार पैटर्न से प्रेरित था. यह 2 मीटर के स्रोत से एक कम उत्सर्जन स्रोत एक अपेक्षाकृत बड़ी खोज अंतरिक्ष (प्रारंभिक दूरी में (पिछले काम 24 में 10 मिलीग्राम बनाम हमारे मामले में 10 ग्राम की फेरोमोन खुराक) का स्थानीयकरण की अनुमति, प्रयोगशाला परिस्थितियों (चित्रा 6) में अच्छा प्रदर्शन किया पिछले प्रयोगों 20-21) में 10 सेमी बनाम.
ये रोबोट प्रयोगों कीट एंटीना रोबोट घ्राण खोजों के लिए उपयुक्त हैं दिखा रहा है कि अवधारणा के एक सबूत के रूप में माना जाना चाहिए. कीट एंटीना विषैली गैसों, दवाओं और विस्फोटकों 9-11 करने के लिए प्रतिक्रिया करने के लिए जाना जाता है, कई एक्सटेंशन असली दुनिया अनुप्रयोगों के साथ मुकाबला करने के लिए आवश्यक हैं. सबसे पहले, एक और अधिक परिष्कृत खोज विधि 34-36, 10 मीटर से परे दूरी पर अर्जन जब अधिक कुशल हो सकता हैपंख बहुत संभावना बन जाती है. दूसरा, यह हितों के odorants पता लगाने के लिए एक जैव इलेक्ट्रॉनिक नाक विन्यास में 14 विभिन्न प्रजातियों से EAGs गठबंधन करने के लिए आवश्यक हो सकता है. तीसरा, एक ही कीट के दो एंटीना से रिकॉर्डिंग से प्राप्त स्टीरियो क्षमताओं संवेदन प्रभाव के मामले में फायदेमंद साबित हो सकता है. समानांतर में कार्यरत दो सेंसर वास्तव में दिशात्मकता वृद्धि हो सकती है. चौथा, सामूहिक रोबोट खोजों 37 को खोज रणनीति का एक्सटेंशन वे पतिंगे के मामले में जैविक रूप से प्रासंगिक नहीं हैं, भले ही व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए विचार किया जाना चाहिए रहे हैं.
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 |