Ein Roboter, der dem Flug der Insekten folgt

Wer den Flug der Libellen beobachtet, versucht, eine Fliege zu fangen oder den Flug der Schmetterlinge in seinem Garten bewundert, bleibt fasziniert von der außergewöhnlichen Flugleistung der Insekten, die wir erst zu verstehen beginnen und die in vielen Punkten rätselhaft bleibt . Das Flattern der Flügel des Insekts erzeugt Turbulenzen, die es in der Luft halten, wie ein Surfer, der seine eigene Welle erzeugt.

Um es zu untersuchen, können die Forscher auf experimentelle Geräte zurückgreifen, bei denen das Insekt “aus der Ferne” beobachtet wird. In dieser Entfernung von einigen Metern nimmt man jedoch nur seine Position wahr und nicht die Konfiguration seiner Flügel oder von sein Körper … Ein anderer Ansatz besteht darin, das Insekt in einen Simulator zu legen, der an einem Stiel befestigt ist, oder darauf zu warten, dass es sich im Feld der Kamera über einer Blume schwebt. Es ist schwierig, den richtigen Kompromiss zwischen der Evolutionsfreiheit des Motivs und der Nähe der Kamera (oder mit anderen Worten dem Detaillierungsgrad der Bilder) zu finden.

Dies hat uns motiviert, das erste schwebende, kabelbetriebene Roboterlabor zu entwickeln, das in der Lage ist, ein sich frei bewegendes Insekt zu verfolgen und mit ihm zu interagieren.

Am Anfang dieser Forschung steht die Untersuchung der Geruchsbildung von Insekten: Insbesondere fragten sich die Forscher nach dem Zusammenhang zwischen der Wahrnehmung eines Geruchs (zum Beispiel eines sexuellen Pheromons) und dem Flug, der s erlaubt ‘nähere dich ihm. Normalerweise platzieren wir eine Geruchsquelle in einem Flugtunnel und beobachten dann die Flugbahnen von Insekten, die in der Nähe fliegen. Aber woher wissen (oder steuern) Sie genau, wo sich die Geruchsmoleküle befinden? Aus dieser Beobachtung entstand die Idee, ein mobiles Labor zu entwerfen, das das untersuchte Insekt stimulieren und beobachten kann, während es sich bewegt, um ihm auf seinem Flug zu folgen. Das Insekt kann sich somit uneingeschränkt entwickeln und genau beobachtet werden. Im Prinzip ist es der bereits in Stadien verwendeten „Spider-Cam“ -Kamera sehr ähnlich, um Fußballer oder Rugbyspieler so genau wie möglich zu filmen.

Zielen Sie auf das Insekt …

Wie die Spider-Cam wird das Gerät „Labor on Cables“ von Kabeln angetrieben, die Hochleistungsmotoren (schnell und mit Präzisionsmessung des Kabels, aber vor allem in der Lage, die Geschwindigkeit schnell zu ändern) abwickeln oder aufwickeln Ecken des Raumes. Auf der mobilen Gondel – ein Würfel mit einem Quadrat von 30 Zentimetern aus Kohlefaser: zwei Kameras zur Erfassung der Position des Insekts, eine Hochgeschwindigkeitskamera zur feinen Erfassung seiner Bewegungen (mit 600 Bildern pro Sekunde, was für a ausreicht) Insekt macht ungefähr dreißig Schläge pro Sekunde), ohne eine Batterie und ein Funkkommunikationssystem zu vergessen: Das Bordsystem muss autonom sein, da es nicht über Kabel verbunden werden kann!

Das „Kabellabor“ -Gerät: ein 30-cm-Quadratwürfel, zwei Kameras, eine Hochgeschwindigkeitskamera, eine Batterie und ein Funkkommunikationssystem: ein völlig autonomes Bordsystem.
Rémi Pannequin et al., Autor zur Verfügung gestellt

Während des Fluges wird die Gondel ein wenig wie eine Zielsuchrakete geführt: Sie richtet ihre Geschwindigkeit an der des Insekts aus und fügt ihr eine Komponente hinzu, um sich ihr nach und nach zu nähern. Und da sich die Flugbahn des Insekts schnell ändert, werden diese Berechnungen alle Hundertstelsekunden wiederholt.

Die Positionsmessungen des Insekts werden direkt an der Gondel vorgenommen und dann an den Computer übertragen, der die Kabeltrommeln steuert. Dort wird dank eines Modells der Robotergeometrie der Gondelbewegungssollwert dann auf jedes Kabel übertragen, um die anzuwendenden Wicklungsgeschwindigkeiten zu erhalten. Die Schwierigkeit in diesem Stadium besteht darin, dass diese Transkription von der Position der Gondel abhängt: Zwei identische Bewegungen, die in der Mitte oder in einer Ecke des Gehäuses ausgeführt werden, haben zwei unterschiedliche Wicklungen.

Halten Sie die Spannung aufrecht!

Zu viel Spannung: Das Kabel bricht; nicht genug: die Wicklung ist schlecht und das Kabel verheddert sich. Die Aufrechterhaltung der richtigen Spannung in jedem Kabel ist daher unerlässlich, zumal der Abstand zwischen der Gondel und einer Rolle nur bekannt ist, wenn das Kabel gespannt ist. und daher unmöglich, die Position der Gondel zu bestimmen, wenn dies nicht der Fall ist.

Die Spannung eines Kabels hängt von seiner eigenen Rolle ab… aber auch von der Spannung der anderen sieben Kabel!

Video des “Kabellabors”, aufgenommen von der externen Kamera.

Es ist daher notwendig, den Sollwert aller Rollen gleichzeitig einzustellen. Diese Einstellung wird durch die Anzahl der Kabel ermöglicht: In der Tat kann eine Verschiebung mit verschiedenen Spannungsparametern durchgeführt werden; Was zählt, ist das Ergebnis der Summe der Spannungen. Zur Vereinfachung können wir die Spannung im Kabel auf der einen Seite erhöhen, vorausgesetzt, die Spannung in den Kabeln auf der anderen Seite wird auf den gleichen Wert erhöht.

Unerwartete Herausforderungen: Erkennung und Start

Die drei aufeinander folgenden Bilder veranschaulichen den Start des Schmetterlings. Es benutzt sowohl seine Beine als auch seine Flügel, um sich in die Luft zu treiben.
Rémi Pannequin et al, Autor zur Verfügung gestellt

Zu wissen, wie man sich schnell bewegt, ist notwendig, um dem Insekt zu folgen, aber es ist auch notwendig, seine Position zu kennen! Der Nachweis des Insekts bleibt einer der entscheidenden Punkte für die Überwachung. Das Motiv wird von Infrarot-LEDs beleuchtet – die er nicht wahrnehmen kann – und von zwei miniaturisierten Kameras gefilmt. Unter den Augen der Kameras ist der Schmetterling nur ein kleiner weißer Fleck, der nicht von einer Reflexion der Beleuchtung auf einem der Stäbe der Gondel zu unterscheiden ist … Daher war mattschwarze Farbe erforderlich! Dank ihm Reflexionen an Stangen, Kabelbindern usw. ausreichend reduziert sind.

Ein zweites unerwartetes Problem war die Kontrolle des Starts des Insekts: Es ist in der Tat unmöglich, genau zu wissen, wann das Insekt seine Flügel ausbreiten wird! Das Warten auf einen spontanen Start warf das Problem der Kapazität (Speicher und Akku) der schnellen Kamera auf. Wir haben verschiedene Mittel zur Einleitung des Starts in Betracht gezogen und getestet: vom Katapult bis zur elektrischen Stimulation. Die Lösung ist jedoch eine leichte Erwärmung der Plattform, die – ohne das Insekt zu verletzen – genügend Unbehagen verursacht, um den Start zu beschleunigen. .

Freiflug des Schmetterlings

Das Kabellabor ermöglichte es, den freien Flug der Motte zu verfolgen und zu studieren Agrotis ipsilon (ca. 2 cm lang). Es kann bis zu 3 Meter pro Sekunde fliegen und ist in der Lage, Geschwindigkeit und Richtung plötzlich zu ändern (bis zu 2 g Beschleunigung). Dies ist ein gutes Studienfach, da diese Motte langsamer mit den Flügeln schlägt als andere Insekten, was es einfacher macht, ihre Bewegung zu zerlegen.

Video des Schmetterlingsfluges, aufgenommen von der Bordkamera.

In Zukunft kann unser System als Experiment zur Wahrnehmung von Gerüchen dienen, da das Männchen zur Fortpflanzung sein hochentwickeltes Riechsystem verwendet, um das Weibchen zu lokalisieren, das von den von ihm emittierten Pheromonen geleitet wird.

Eine offene Tür zu anderen Studien

Der Roboter ist kein Selbstzweck, sondern ein zusätzliches Forschungsinstrument, um die Flugmechanik anderer Arten (wie Drosophila, Mücke usw.) zu verstehen. Der Korb bietet Platz für neue Geräte, zum Beispiel um Duftstöße abzugeben und die Reaktion des Insekts zu beobachten oder sogar seine Muskelaktivität zu messen!

Es ist auch möglich, den Roboter zu vergrößern, wobei seine Bewegungszone a priori nur durch die Länge der Kabel begrenzt ist; Wir können sogar in Betracht ziehen, es im Freien zu installieren.

In der Perspektive hoffen wir, dass das Kabellabor es ermöglichen wird, die Modelle des Insektenfluges zu verfeinern und zu vertiefen und neue Wege für die Entwicklung von Mini-Flugrobotern zu eröffnen, die von ihnen inspiriert sind, zum Beispiel dem RoboFly oder dem RoboBee. .

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